Giorno dopo giorno, nei nostri corpi, il DNA nelle cellule viene danneggiato per una serie di motivi ed i sistemi di riparazione del DNA sono fondamentali per vivere. Ora gli scienziati della Scuola di Medicina UNC hanno confermato e chiarito i dettagli molecolari chiave di uno di questi sistemi di riparazione, noto come riparazione per escissione dei nucleotidi.
“NER (Nucleotide Excision Repair) è un sistema di riparazione del DNA generale e versatile in quanto è stato identificato sia nei procarioti che negli eucarioti ed è in grado di rimuovere un’ampia gamma di danni, correlati alla capacità di determinare una distorsione notevole della molecola di DNA”.
Utilizzando una tecnica di sequenziamento avanzata per mappare e analizzare i danni al DNA, gli scienziati hanno chiarito le funzioni nelle cellule batteriche, di due importanti proteine di riparazione per escissione: Mfd e UvrD.
( Vedi anche:Nuove intuizioni sulla riparazione del DNA e nuove strategie per combattere il cancro).
“I meccanismi biochimici di queste proteine sono noti da anni grazie ad esperimenti che hanno coinvolto la proteina purificata e il DNA e questo è molto importante, ma in questo nuovo lavoro abbiamo chiarito i ruoli di queste proteine ‘nelle cellule viventi”, ha spiegato il co-autore senior dello studio, Christopher P. Selby, Prof. Assistente di ricerca biochimica e biofisica alla UNC.
“In ultima analisi, questa migliore comprensione della riparazione del DNA batterico potrebbe essere utile allo sviluppo di farmaci antibatterici,” ha aggiunto il co-autore senior Aziz Sancar che ha collaborato con Sarah Graham Kenan Prof.ssa di Biochimica e Biofisica presso la UNC.
La ricerca è stata pubblica questa settimana in Proceedings of the National Academy of Sciences .
A Sancar è stato assegnato il premio Nobel 2015 per la chimica per le sue ricerche condotte negli anni 1980 e all’inizio del 1990 sulla riparazione del DNA per escissione dei nucleotidi nei batteri e nelle cellule umane. Questo processo di riparazione, che si verifica anche nelle cellule animali, identifica e spiega una delle forme più comuni di danno al DNA: l’addotto ingombrante, una modifica chimica indesiderata al DNA tipicamente causata da una tossina o radiazione ultravioletta (UV).
Per studiare la riparazione del DNA tramite escissione dei nucleotidi nelle cellule, Sancar, Selby e colleghi hanno recentemente sviluppato una nuova tecnica chiamata XR-ss, che consente ai ricercatori di isolare la sequenza di piccoli frammenti di DNA. Conoscere le sequenze di questi frammenti di DNA consente di mappare con precisione la loro posizioni nel genoma. I ricercatori hanno usato questo metodo prima del 2015 per generare una mappa di riparazione dei danni del genoma umano causati dai raggi UV, mentre nel 2016 hanno usato il metodo XR-seq per generare le mappe delle riparazioni dei danni al DNA causati dal farmaco antitumorale cisplatino, dell’intero genoma umano. Ora essi hanno applicato questo metodo per rispondere ad alcune domande fondamentali sulla riparazione dei danni al DNA utilizzando l’ E.coli, al fine di sviluppare antibiotici innovativi.
In questo studio, che è stato anche guidato dal post-dottorato di ricerca Ogun Adebali, i ricercatori si sono concentrati in gran parte su DM, una proteina nota nei per avere uno speciale e meccanicamente inusuale ruolo nella riparazione per escissione nei batteri.
“Credo che Mfd sia la proteina più interessante nell’ E. coli “, ha detto Selby che ha aggiunto: ” Ecco cosa accade: quando il DNA di un gene batterico viene trascritto in RNA e il macchinario molecolare della trascrizione si blocca in un addotto ingombrante, DM appare sulla scena, recluta altre proteine di riparazione che tagliano via la sezione danneggiata del DNA e ” riavvia” la macchina di trascrizione in modo che possa riprendere il suo lavoro. Questo processo guidato da MFD si chiama ” transcription-coupled repair” ossia “trascrizione accoppiata alla riparazione” e rappresenta un tasso molto più elevato di riparazione per escissione sulle basi di DNA che vengono attivamente trascritte.
Utilizzando XR-seq per mappare il danno indotto dai raggi UV nelle cellule dei batteri E. coli, i ricercatori hanno trovato chiara evidenza di “riparazione accoppiata alla trascrizione” nelle cellule normali, ma non nelle cellule private di Mfd, confermando così il ruolo della proteina nel processo.
In ulteriori esperimenti, i ricercatori hanno definito il ruolo accessorio nella riparazione per escissione nelle cellule E.coli, di proteine UvrD, che aiutano a sgombrare il campo da ogni segmento asportato del DNA danneggiato.
In assenza di UvrD, il pezzo asportato del DNA rimane legato al DNA cromosomico, rendendo difficile agli enzimi di smaltimento dei rifiuti cellularla possibilità di eliminarlo. Allo stesso tempo, le proteine di riparazione che hanno escisso il filamento tendono a rimanere attaccate ad esso e sono quindi impossibilitate ad asportare altri frammenti di DNA danneggiato. Il compito di UvrD è quello di rilassare questi filamenti danneggiati e scartati dal DNA cromosomico, in modo che possano essere smaltiti in modo rapido e che le proteine di riparazione ad essi associate possono proseguire con la riparazione. Utilizzando XR-ss sulle cellule E. coli danneggiate da raggi UV, il team della UNC ha confermato che senza UvrD, i frammenti di DNA escissi rimangono bloccati nel DNA cromosomico, sopravvivono molto più a lungo e rallentano il tasso globale di riparazione per escissione nelle cellule.
Oltre a chiarire i ruoli di Mfd e UvrD, la ricerca annuncia in generale l’uso della nuova tecnica XR-Seq per la mappatura e lo studio dei processi di riparazione per escissione dei nucleotidi.
“XR-Seq fornisce un nuovo tipo di dati di sequenza e in questo lavoro abbiamo fornito per la prima volta, una mappa completa della riparazione in un batterio”, ha detto Adebali. “Pensiamo che questa mappa possa essere ampiamente utile alla comunità scientifica”.
I ricercatori ora intendono utilizzare XR-seq nelle cellule batteriche, così come nelle cellule dei mammiferi, umani e altri, in cui è meno compreso il processo di riparazione per escissione.
Fonte: PNAS
