Meccanismi di riparazione del DNA e loro importanza biologica

Finora abbiamo parlato di errori della duplicazione, ma ora parliamo realmente del danno che subisce il DNA. Innanzitutto il danno è una modifica strutturale del nucleotide, mentre una mutazione è un cambiamento nella sequenza delle basi.

Il danno può provenire da effetti endogeni o esogeni.

Il danno spontaneo può essere:

- Depurinazione: perdita spontanea di adenina o guanina, che può portare a delezioni durante la replicazione.

- Deamminazione: trasformazione della citosina in uracile, che può causare sostituzioni di basi (per esempio, una C convertita in U porta alla sostituzione di una G con A nel filamento figlio).

Oppure i raggi UV generano dimeri di timina, che vengono letti come unica base (quindi è come una delezione). Il danno deve essere riparato altrimenti la cellula arresta il suo ciclo cellulare e va in apoptosi. Peggio è se la cellula continua a vivere perché vuol dire che non funziona il meccanismo di riparazione, di conseguenza altri danni continuano ad accumularsi, causando tumori.

Per fortuna il DNA ha 2 filamenti, per cui in caso di errore c’è l’altro che funge da stampo per riparare.

Riparazione del DNA a singolo filamento

Abbiamo due vie per il riparo al singolo filamento:

1) Riparo per escissione di basi (BER): questa via ripara danni chimici localizzati a singole basi, come la deamminazione della citosina o la depurinazione. Questo meccanismo prevede che una DNA glicosilasi specifica riconosce la base alterata e la “capovolge” fuori dall’elica del DNA per poi rimuoverla. Dopodiché viene rimosso anche lo zucchero fosfato per creare un nick ed infine la DNA polimerasi inserisce la base corretta utilizzando il filamento complementare come stampo, e la DNA ligasi chiude l’interruzione.

2) Riparazione per escissione di nucleotidi (NER): questa via è in grado di correggere lesioni più voluminosi o distorsioni della doppia elica, come la formazione di dimeri di pirimidina prodotti dai raggi UV. Tale meccanismo prevede che un complesso riconosce la distorsione dell’elica per poi rimuovere una serie di nucleotidi. Dopodiché la polimerasi risintetizza il filamento danneggiato.

Difetti in questo meccanismo determinano lo xeroderma pigmentoso.

Riparazione del DNA a doppio filamento

Le rotture a doppio filamento (DSB) rappresentano uno dei danni più pericolosi al DNA, perché entrambi i filamenti sono interrotti e non esiste un filamento da usare come stampo.

Abbiamo 2 metodi per risolvere questo tipo di danno:

1) Unione non omologa delle estremità (NHEJ): le estremità rotte del DNA vengono riavvicinate e legate direttamente tramite una DNA ligasi.

Subito dopo la rottura, il complesso KU tiene unite le estremità per poi reclutare DNA-PK, una kinasi che attiva Artemis, un’esonucleasi che rende i due filamenti compatibili per la giunzione. Infine, una li ghazi salda i due pezzi. Questo processo può comportare la perdita di nucleotidi in corrispondenza del sito di giunzione, quindi altera la sequenza originale.

2) Ricombinazione omologa (HR): è un meccanismo più complesso, ma molto più accurato, perché ripristina la sequenza originale del DNA, senza perdita di nucleotidi. Usa il cromatidio fratello come stampo, quindi è possibile solo dopo la duplicazione del DNA, cioè nelle fasi S e G2 del ciclo cellulare.

Meccanismi di riparazione avanzati

Il meccanismo prevede che il danno causa un aumento di ATM, la quale fosforila l’istone H2AX, sul quale si posizioneranno le proteine di riparo. Il complesso Mre11 degrada il filamento che ha l’estremità 5’ rotta, in modo che resta più sporgente l’estremità 3’. Dopodiché, Rad51 o Dmc1 (ricombinasi) usano ATP per dare una forma ad elica al filamento rotto e lo guida alla ricerca della sequenza complementare sul cromatide fratello (invasione). A questo punto il filamento danneggiato copia la sequenza complementare per poi tornare vicino al suo filamento originario e funge da stampo per lui, ripristinando così la reale sequenza.