Roma – Svelato il meccanismo di base del modo in cui uno dei sistemi di riparazione del DNA umano più vitali riconosce i danni al DNA e ne avvia la riparazione. La scoperta frutto della collaborazione tra i ricercatori dei due istituti di ricerca del Medical Research Council del Regno Unito, il Laboratory of Medical Sciences, LMS, di Londra, e il Laboratory of Molecular Biology, LMB, di Cambridge e riportata su Nature, ha risolto un mistero vecchio di decenni che potrebbe aprire la strada a migliori trattamenti del cancro in futuro. I ricercatori hanno risolto il mistero decennale su come i danni al DNA causati dalla luce solare, dall’alcol e dall’inquinamento vengano identificati per poter essere riparati. Utilizzando tecniche di imaging all’avanguardia per visualizzare il modo in cui queste proteine di riparazione del DNA si muovono su una singola molecola di DNA e la microscopia elettronica per catturare il modo in cui queste si “agganciano” a specifiche strutture di DNA, la ricerca apre la strada a trattamenti più efficaci contro il cancro.
Una singola molecola di DNA (non direttamente visibile) viene catturata usando microscopiche perle (i grandi cerchi). Ognuno dei punti rossi, verdi o gialli che si muovono tra le perle rappresenta un complesso proteico FANCD2I-FANCI che scivola lungo la molecola di DNA, monitorandola per eventuali danni. CREDITO Laboratorio di Scienze Mediche MRC
La collaborazione tra i laboratori di David Rueda, del LMS, e della dottoressa Lori Passmore, del LMB, è stata un brillante esempio di come la squadra di ricerca possa portare a risultati fruttuosi e sottolinea l’importanza di questi due istituti nel portare avanti la ricerca che sblocca i meccanismi fondamentali della biologia, alla base della futura traduzione di questo lavoro in miglioramenti per la salute umana. I ricercatori stavano lavorando su una via di riparazione del DNA, nota come via dell’anemia di Fanconi, FA, identificata più di vent’anni fa. Il DNA viene costantemente danneggiato nel corso della nostra vita da fattori ambientali come i raggi UV del sole, l’uso di alcol, il fumo, l’inquinamento e l’esposizione a sostanze chimiche. Una via in cui il DNA si danneggia è quando viene “reticolato”, il che gli impedisce di replicarsi e di esprimere normalmente i geni. Per potersi replicare, leggere ed esprimere i geni, i due filamenti della doppia elica del DNA devono innanzitutto aprirsi in filamenti singoli. Quando il DNA è reticolato, i “nucleotidi”, i “gradini” della scala a doppia elica del DNA, dei due filamenti si incastrano l’uno con l’altro, impedendo lo scollamento. L’accumulo di danni al DNA, compresa la reticolazione, può portare al cancro. La via FA è attiva per tutta la vita e identifica questi danni e li ripara continuamente. Gli individui che presentano mutazioni che rendono questa via meno efficace sono molto più suscettibili ai tumori. Sebbene le proteine coinvolte nel percorso FA siano state scoperte qualche tempo fa, rimaneva un mistero su come esse identificassero il DNA reticolato e avviassero il processo di riparazione del DNA. La squadra di scienziati dell’istituto gemello MRC LMS, il LMB di Cambridge, guidato da Lori Passmore, aveva precedentemente identificato che il complesso proteico FANCD2-FANCI (D2-I), che agisce in una delle prime fasi della via FA, si blocca sul DNA, avviando così la riparazione del DNA in corrispondenza dei legami incrociati. Rimanevano tuttavia aperte alcune domande chiave: come fa D2-I a riconoscere il DNA reticolato e perché il complesso D2-I è implicato anche in altri tipi di danno al DNA? Lo studio attuale offre una risposta a queste domande. I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche scientifiche all’avanguardia per dimostrare che il complesso D2-I scivola lungo il DNA a doppio filamento, monitorandone l’integrità, e ha anche rilevato il modo in cui riconosce il punto in cui fermarsi, consentendo alle proteine di muoversi e bloccarsi in quel punto per avviare la riparazione del DNA. Gli scienziati Artur Kaczmarczyk e Korak Ray, del gruppo Single Molecule Imaging di David Rueda, in collaborazione con Pablo Alcón, del gruppo di Lori Passmore, hanno utilizzato una tecnica di microscopia all’avanguardia, nota come “tweezer ottico correlato e imaging a fluorescenza”, per esplorare il modo in cui il complesso D2-I scivola lungo una molecola di DNA a doppio filamento. Grazie alle pinzette ottiche, che hanno permesso di manipolare con precisione il DNA e di incubarlo con le proteine scelte, hanno potuto catturare una singola molecola di DNA tra due perline. Utilizzando D2-I marcato in modo fluorescente e l’imaging a singola molecola, hanno osservato come i singoli complessi D2-I si legano e scivolano lungo il DNA, scansionando la doppia elica. Poi, i ricercatori hanno scoperto che, invece di riconoscere direttamente il legame incrociato tra i due filamenti di DNA, la pinza FA smette di scorrere quando raggiunge una lacuna di DNA a singolo filamento, una regione in cui manca uno dei due filamenti di DNA. Utilizzando la crio-microscopia elettronica, una potente tecnica in grado di visualizzare le proteine a livello molecolare, i ricercatori hanno poi determinato le strutture del complesso D2-I sia in posizione di scorrimento sia in stallo sulla giunzione tra DNA a singolo e doppio filamento. Ciò ha rivelato che i contatti che D2-I stabilisce con la giunzione DNA a singolo e doppio filamento sono diversi da quelli che stabilisce con il solo DNA a doppio filamento. Ciò ha permesso di identificare una porzione specifica della proteina FANCD2, chiamata “elica KR”, che, come hanno dimostrato gli esperimenti di imaging su singola molecola, è fondamentale per riconoscere e bloccare le lacune del DNA a singolo filamento. In collaborazione con Guillaume Guilbaud e Julian Sale, della divisione PNAC del LMB, e con Themos Liolios e Puck Knipscheer, dell’Hubrecht Institute, nei Paesi Bassi, hanno inoltre dimostrato che la capacità del complesso D2-I di bloccarsi su queste giunzioni utilizzando l’elica KR è fondamentale per la riparazione del DNA attraverso la via FA. Quando il DNA si replica normalmente nelle cellule umane, si aprono i due filamenti di DNA e si copia ogni singolo filamento. In questo modo si crea una “forcella di replicazione” in cui i filamenti di DNA originali vengono svolti e si forma un nuovo DNA a doppio filamento su ciascun filamento. Tuttavia, quando questa forcella raggiunge un legame incrociato di DNA, i filamenti non possono essere srotolati, bloccando il normale processo di replicazione del DNA. Questa forcella di replicazione in stallo contiene quindi lacune esposte a singolo filamento in cui il DNA è stato srotolato ma non replicato. La ricerca ha dimostrato che sono proprio queste giunzioni tra DNA a singolo e doppio filamento nella forcella di replicazione in stallo che il complesso proteico D2-I si aggancia saldamente. Ciò non solo consente al complesso D2-I di portare altre proteine della via FA al reticolo del DNA per avviare la riparazione, ma ancorano anche il DNA a doppio filamento rimanente, proteggendo la “forcella di replicazione” in stallo dagli enzimi della cellula che rosicchierebbero l’estremità esposta del filamento di DNA e danneggerebbero ulteriormente il DNA. Questo lavoro ha dimostrato che sono le strutture del DNA all’interno della forcella di replicazione che si blocca a causa del DNA reticolato, piuttosto che il DNA reticolato stesso, a far sì che il complesso D2-I smetta di scorrere e si aggrappi al DNA per iniziare la riparazione. Queste forche di replicazione in stallo compaiono in molti tipi di danno al DNA, il che spiega l’ampio ruolo del complesso D2-I in altre forme di riparazione del DNA, oltre che attraverso la via FA. La comprensione del processo di riparazione del DNA e, soprattutto, del motivo per cui fallisce, riveste un’enorme importanza in quanto il danno al DNA è un fattore chiave in molte malattie. In particolare, molti farmaci antitumorali, ad esempio il cisplatino, agiscono inducendo un danno cellulare così grave nelle cellule cancerose che queste smettono di dividersi e muoiono. In questi casi, le vie di riparazione del DNA, un processo fisiologico così vitale nella vita normale, possono essere dirottate dalle cellule tumorali che le utilizzano per resistere agli effetti dei farmaci chemioterapici. La comprensione delle basi meccaniche della prima fase del percorso di riparazione del DNA può portare a metodi per sensibilizzare i pazienti in modo che i farmaci antitumorali possano essere più efficaci in futuro.(30Science.com)
