Comprendere il modo in cui i neuroni riparano gli errori genomici nel DNA fa luce sull’invecchiamento e sulla progressione delle malattie neurodegenerative.
Le cellule cerebrali ricevono input sensoriali dal mondo esterno e inviano segnali in tutto il corpo, dicendo agli organi e ai muscoli cosa fare. Sebbene i neuroni costituiscano solo il 10% delle cellule cerebrali, la loro integrità funzionale e genomica deve essere mantenuta per tutta la vita. La maggior parte delle cellule in divisione nel corpo ha meccanismi di checkpoint ben definiti per rilevare e correggere i danni al DNA durante la replicazione del DNA.
I neuroni, tuttavia, non si dividono. Per questo motivo, sono a maggior rischio di accumulare danni e devono sviluppare percorsi di riparazione alternativi per evitare disfunzioni. Gli scienziati non capiscono come il danno al DNA neuronale venga controllato in assenza di checkpoint di replicazione.
Uno studio recente condotto da Cynthia McMurray e Aris Polyzos presso la Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha affrontato questa lacuna di conoscenza, facendo luce su come si verificano danni e riparazioni del DNA nel cervello. I loro risultati suggeriscono che il danno al DNA stesso funge da checkpoint, limitando l’accumulo di errori genomici nelle cellule durante l’invecchiamento naturale.
L’articolo, pubblicato su Nature Communications, offre indizi per comprendere il potenziale ruolo del danno al DNA non riparato nella progressione delle malattie neurodegenerative e potrebbe aiutare a informare lo sviluppo di terapie.
Il cervello è altamente specializzato, con neuroni in diverse regioni che svolgono ruoli cognitivi e motori distinti e, a seconda della loro funzione, i neuroni variano nei loro requisiti energetici. Come primo studio a integrare le caratteristiche specifiche del tipo di cellula e della regione cerebrale della riparazione del DNA nei cervelli normali, questo lavoro stabilisce un punto di riferimento per il campo.
“Quando abbiamo iniziato questo lavoro non c’era stato uno studio che esaminasse in modo approfondito la componente regionale del danno al DNA nel cervello“, ha affermato Polyzos, ricercatore scientifico e primo autore del documento. “Dato che molti degli agenti dannosi interni al DNA nelle cellule neurali derivano dalla produzione di energia e poiché l’attività metabolica varia in tutto il cervello, sospettavamo che ci sarebbe stata anche una variazione regionale nel danno al DNA e nella sua regolazione”.
In collaborazione con il laboratorio di Zachary Nagel presso la TH Chan School of Public Health presso l’Università di Harvard, i ricercatori del Berkeley Lab hanno impiegato una serie di tecniche innovative per misurare la capacità di riparazione del DNA, i profili di espressione delle proteine di riparazione e i livelli di rottura del doppio filamento nelle regioni cerebrali dei topi sani. In primo luogo, i ricercatori hanno confermato la presenza di importanti meccanismi di riparazione del DNA in ciascuna delle quattro regioni cerebrali: la corteccia cerebrale, l’ippocampo, il cervelletto e lo striato.
I membri del gruppo di Nagel hanno poi determinato le capacità dei vari percorsi di riparazione del DNA nelle diverse regioni del cervello utilizzando una tecnica chiamata “riattivazione delle cellule ospiti multiplex a fluorescenza” sviluppata nel loro laboratorio. Inoltre, il team del Berkeley Lab ha creato immagini di cellule neurali in cervelli intatti utilizzando tecniche di immunofluorescenza, consentendo la distinzione tra i vari tipi di cellule nel cervello e mantenendo un contesto fisiologico per il danno e la riparazione del DNA.
“Poiché molti degli agenti dannosi del DNA interno nelle cellule neurali derivano dalla produzione di energia e poiché l’attività metabolica varia in tutto il cervello, sospettavamo che ci sarebbero state anche variazioni regionali nel danno al DNA e nella sua regolazione”, ha spiegato Aris Polyzos.
Le rotture a singolo filamento generate durante la riparazione del DNA sono state osservate convertirsi in rotture a doppio filamento e cambiare reversibilmente stato in risposta all’ossidazione nei neuroni coltivati e nei cervelli di topi viventi. La cellula usa l’interconversione reversibile come checkpoint fisiologico per produrre rotture a doppio filamento non riparate per funzioni produttive, ma anche per impedirne il superamento dei limiti tollerabili. Sebbene il danno ossidativo abbia origine come parte del normale metabolismo, i ricercatori hanno scoperto che alti livelli di danno ossidativo possono portare all’invecchiamento e alla malattia se l’accumulo di rotture aumenta oltre una soglia normale.
“Il documento è un valido studio del livello di stato stazionario della rottura del DNA nel cervello e supporta la consolidata visione secondo cui lo stress ossidativo è una fonte di tale rottura, inclusa la conversione delle rotture a singolo filamento in rotture a doppio filamento”, ha osservato Keith Caldecott, co-Direttore del Genome Damage and Stability Centre presso l’Università del Sussex ed esperto nel campo del danno al DNA, che non ha contribuito al documento. “L’ipotesi che tali rotture siano esse stesse un segnale regolatore, piuttosto che semplicemente un intermedio obbligato di una reazione regolatrice, è intrigante e provocatoria“.
Inoltre, lo studio fornisce una base più approfondita per interrogare il danno al DNA e la riparazione osservati durante la progressione di malattie neurodegenerative tra cui Alzheimer, Huntington e Parkinson. McMurray, Polyzos e il loro team hanno studiato la disregolazione della produzione di energia nei neuroni nella malattia di Huntington e stanno attualmente indagando il danno al DNA osservato in questi neuroni durante la progressione della malattia. La prova di un percorso tra la disregolazione energetica e la neurodegenerazione potrebbe in ultima analisi fornire un bersaglio terapeutico per la malattia di Huntington.
Leggi anche:Leucodistrofia autosomica dominante: silenziatore genico nel DNA spazzatura previene la malattia
“È fondamentale conoscere la fonte dell’instabilità del genoma che nasce all’interno delle cellule e che è alla base delle numerose sindromi da riparazione difettosa del DNA caratterizzate da neurodegenerazione o neurosviluppo anomalo”, ha osservato Peter McKinnon, vicepresidente del Dipartimento di biologia cellulare e molecolare presso l’ospedale pediatrico St. Jude e altro esperto nel campo, in particolare per quanto riguarda i danni al DNA causati da malattie. “In questo nuovo rapporto, i ricercatori dimostrano che la conversione di rotture a singolo filamento in rotture a doppio filamento tramite danno ossidativo è un evento chiave nella generazione di tipi dannosi di danni al genoma. Questa è una scoperta importante e ci aiuta a capire come si verificano queste malattie neurologiche“.
Questo lavoro è stato sostenuto dai National Institutes of Health.
Fonte: LBL