La Riparazione del DNA

Aggionato: 03/12/2023

Pubblicato: 03/12/2023

La replicazione del DNA è un processo fondamentale che permette la duplicazione del materiale genetico, tuttavia durante questo processo vengono commessi molti errori che sono corretti dai meccanismi di riparazione del DNA

Replicazione del DNA ed Errori

Nonostante l’alta precisione del processo di replicazione, possono verificarsi errori. Questi errori sono generalmente rari grazie alla capacità di correzione della DNA polimerasi, che riduce significativamente la frequenza degli errori. Tuttavia, a volte la polimerasi può inserire una base sbagliata (mismatch) o possono verificarsi errori a causa di slittamenti del DNA, specialmente in regioni con sequenze ripetute. Fattori ambientali come radiazioni UV o sostanze chimiche possono anche danneggiare il DNA e alterare la replicazione.

Sebbene la maggior parte di questi errori venga corretta dai meccanismi di riparazione del DNA, quelli che sfuggono alla correzione possono portare a mutazioni permanenti, che in alcuni casi possono contribuire allo sviluppo di malattie, inclusi diversi tipi di cancro. La replicazione del DNA è quindi un processo equilibrato tra l’alta fedeltà e la possibilità di errori, con un sistema di controllo e riparazione per mantenere l’integrità genetica.

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I Meccanismi di Riparazione del DNA

Riparazione per escissione di basi (BER)

La Riparazione del DNA per Escissione di Basi (BER, dall’inglese Base Excision Repair) è un meccanismo cellulare fondamentale per correggere le lesioni più comuni del DNA, come le basi danneggiate, depurinate o deamidate. Questo processo si svolge in più fasi:

Riconoscimento della Base Danneggiata:
- Il primo passo nel processo BER è il riconoscimento della base danneggiata. Questo è compiuto da una classe di enzimi chiamati DNA glicosilasi. Ci sono diverse glicosilasi specifiche per tipi diversi di danni al DNA.
Rimozione della Base Danneggiata:
- Dopo il riconoscimento della base danneggiata, la DNA glicosilasi rimuove la base, lasciando dietro un sito abasico (senza base) o un sito AP (apurinico/apyrimidinico). Questa azione è nota come “taglio della glicosidica”.
Intervento di Endonucleasi AP:
- Una volta creato il sito AP, un’altra enzima, l’endonucleasi AP, taglia il filamento di DNA al sito AP. Questo taglio lascia un’estremità 3′-OH e un’estremità 5′-deossiriboso fosfato.
Processamento del Sito AP e Aggiunta di Nucleotide:
- A questo punto, il sito AP viene processato ulteriormente da enzimi che preparano il sito per l’aggiunta di un nuovo nucleotide. Questo può includere la rimozione dell’estremità 5′-deossiriboso fosfato.
- Successivamente, un enzima DNA polimerasi inserisce il nucleotide corretto al posto del nucleotide danneggiato.
Sigillatura del DNA:
- L’ultimo passo nel processo BER è la sigillatura del taglio nel filamento di DNA. Ciò è compiuto da un altro enzima, la DNA ligasi, che forma un legame fosfodiesterico per unire l’estremità 3′-OH con l’estremità 5′-fosfato adiacente, ripristinando così l’integrità del filamento di DNA.

Riparazione per escissione di nucleotidi (NER)

La Riparazione per Escissione di Nucleotidi (NER, dall’inglese Nucleotide Excision Repair) è un altro meccanismo vitale di riparazione del DNA, specializzato nella rimozione di una vasta gamma di danni che causano distorsioni significative della doppia elica del DNA, come dimeri di timina indotti dai raggi UV e danni causati da prodotti chimici. Il processo di NER può essere suddiviso in diverse fasi chiave:

Riconoscimento del Danno:
- La prima fase del NER è il riconoscimento del danno al DNA. Nel caso del danno indotto dai raggi UV, come i dimeri di timina, le proteine specifiche del NER rilevano la distorsione nella struttura del DNA. Esistono due vie di NER: il NER globale-genoma (GG-NER) e il NER trascrizione-coupled (TC-NER). GG-NER rileva danni in tutto il genoma, mentre TC-NER è specializzato nel rilevare e riparare i danni sul filamento di DNA che viene trascritto.
Apertura del DNA:
- Una volta rilevato il danno, il complesso di proteine NER si lega al DNA e recluta altri fattori per aprire la doppia elica in prossimità del danno. Ciò coinvolge l’uso di enzimi che consumano ATP per distorcere ulteriormente la struttura del DNA, permettendo un accesso migliore al sito danneggiato.
Escissione del Segmento Danneggiato:
- Successivamente, un’endonucleasi taglia il filamento di DNA danneggiato su entrambi i lati del danno, solitamente rimuovendo un segmento di circa 12-24 nucleotidi nel caso di mammiferi. Questo rilascia l’oligonucleotide danneggiato.
Sintesi del DNA:
- Dopo la rimozione del segmento danneggiato, una DNA polimerasi sintetizza un nuovo tratto di DNA utilizzando il filamento complementare intatto come stampo. Questa fase ripristina la sequenza originale del DNA nel sito riparato.
Legatura del DNA:
- Infine, l’ultimo passo coinvolge la DNA ligasi, che si lega al nuovo segmento di DNA sintetizzato al resto del filamento, completando così il processo di riparazione.

Riparazione Mismatch (MMR)

La Riparazione Mismatch (MMR, dall’inglese Mismatch Repair) è un meccanismo essenziale per mantenere l’integrità genetica, correggendo gli errori di appaiamento delle basi che sfuggono alla correzione della DNA polimerasi durante la replicazione del DNA. Questo processo è particolarmente importante per prevenire mutazioni che possono portare a malattie come il cancro. La MMR si svolge in diverse fasi:

Riconoscimento dell’Errore:
- Il primo passo nel processo MMR è il riconoscimento di un mismatch nel DNA, ovvero un appaiamento sbagliato tra le basi, come guanina-citosina (G-C) o adenina-timina (A-T). Proteine specifiche, come MSH2 e MSH6 nei mammiferi, sono responsabili per il riconoscimento di questi errori.
Reclutamento di Altri Fattori di Riparazione:
- Una volta identificato l’errore, altre proteine vengono reclutate sul sito. Questo include proteine come MLH1 e PMS2, che formano un complesso con le proteine MSH2-MSH6. Questo complesso coordina le successive fasi della riparazione.
Escissione del Tratto di DNA Errato:
- Il complesso di riparazione induce un taglio nel filamento di DNA che contiene l’errore. Questo taglio avviene in prossimità del mismatch. Un segmento di DNA contenente l’errore viene poi rimosso. Questo segmento può essere lungo diverse decine di nucleotidi.
Sintesi del Nuovo Segmento di DNA:
- Una volta rimosso il segmento errato, la DNA polimerasi sintetizza un nuovo tratto di DNA utilizzando il filamento complementare come stampo. Questo assicura che la sequenza di DNA sia corretta e conforme al filamento modello.
Legatura del DNA:
- Infine, la DNA ligasi si occupa di legare il nuovo segmento di DNA al resto del filamento, completando così il processo di riparazione.

Riparazione del Danno al Doppio Filamento (DSBR)

La Riparazione del Danno al Doppio Filamento (DSBR, dall’inglese Double-Strand Break Repair) è un processo cellulare critico per la riparazione dei danni al doppio filamento del DNA, che possono essere causati da radiazioni ionizzanti, sostanze chimioterapiche, e stress replicativi. Tali danni sono particolarmente pericolosi poiché possono portare a gravi mutazioni e alla perdita di informazioni genetiche. Ci sono due principali meccanismi di DSBR: la Ricombinazione Omologa (HR) e la Giunzione Terminale Non-Omologa (NHEJ).

Ricombinazione Omologa (HR)

Riconoscimento del Danno:
- Il danno al doppio filamento viene rilevato da proteine sensoriali che attivano le vie di segnalazione del danno al DNA.
Rilavorazione del Filamento:
- Il processo inizia con la rilavorazione dei capi del DNA per produrre estremità a filamento singolo. Questo è mediato da una serie di enzimi che tagliano via un tratto di DNA a doppio filamento.
Ricerca del Filamento Omologo:
- Le estremità a filamento singolo sono poi rivestite da proteine come RAD51, che aiutano a cercare un filamento omologo (generalmente fornito da una cromatide sorella durante la divisione cellulare) che può servire da modello per la riparazione.
Formazione di Giunzioni di Holliday e Sintesi del DNA:
- Una volta trovato il filamento modello, si formano le giunzioni di Holliday, strutture intermediarie della ricombinazione. La DNA polimerasi utilizza il filamento intatto come stampo per sintetizzare il tratto di DNA mancante.
Risoluzione delle Giunzioni di Holliday:
- Infine, le giunzioni di Holliday sono risolte, ripristinando due molecole di DNA a doppio filamento intatte e separate.

Giunzione Terminale Non-Omologa (NHEJ)

Riconoscimento e Stabilizzazione dei Capisaldi:
- Il NHEJ inizia con il riconoscimento dei capi del DNA rotto. Proteine come Ku70 e Ku80 legano le estremità del DNA rotto, stabilizzandole.
Processamento dei Capisaldi:
- Se necessario, i capi del DNA vengono processati per renderli compatibili per la ligazione. Questo può includere il taglio di estremità non adatte per la ligazione.
Legatura dei Capisaldi:
- Un complesso di proteine, che include la DNA ligasi IV, XRCC4 e XLF, lega i capi del DNA. Questo processo può portare alla perdita di una piccola quantità di materiale genetico.

Riparazione Mediata da Traslesione (TLS)

La Riparazione Mediata da Traslesione (TLS, dall’inglese Translesion Synthesis) è un meccanismo di tolleranza al danno del DNA che permette alle cellule di replicare il DNA in presenza di lesioni che altrimenti bloccano la progressione delle normali DNA polimerasi replicative. Questo processo è cruciale per la sopravvivenza cellulare in condizioni di stress genotossico, ma può essere associato a un’aumentata frequenza di mutazioni. Ecco come funziona il TLS:

Incontro con una Lesione:
- Durante la replicazione del DNA, una DNA polimerasi replicativa può imbattersi in una lesione che non può superare, come un danno indotto da radiazioni UV (ad esempio, un dimero di timina) o addotti al DNA causati da sostanze chimiche.
Stallo della Polimerasi Replicativa:
- Quando la polimerasi replicativa si blocca a una lesione, il processo di replicazione del DNA si arresta temporaneamente. Questo stallo può portare a problemi durante la replicazione e, se non risolto, può causare morte cellulare o instabilità genomica.
Reclutamento di Polimerasi Specializzate:
- In risposta al blocco, la cellula recluta polimerasi specializzate in TLS. Queste polimerasi hanno la capacità unica di sintetizzare DNA attraverso lesioni che bloccano le polimerasi replicative normali. Esempi di tali polimerasi includono Pol η, Pol ι, e Pol κ.
Sintesi Traslesione:
- Una volta reclutate, le polimerasi TLS si legano al DNA e aggiungono nucleotidi opposti alla lesione. Questo permette di bypassare la lesione e riprendere la replicazione del DNA. Tuttavia, poiché queste polimerasi hanno una minore fedeltà rispetto alle polimerasi replicative normali, possono inserire basi sbagliate, portando a mutazioni.
Ritorno alla Polimerasi Replicativa:
- Dopo aver bypassato la lesione, la polimerasi TLS viene sostituita dalla polimerasi replicativa normale, che continua la replicazione del DNA.

Risposta al Danno del DNA (DDR)

La Risposta al Danno del DNA (DDR, dall’inglese DNA Damage Response) è un complesso sistema di segnalazione cellulare che rileva il danno al DNA e coordina la risposta appropriata. È fondamentale per mantenere l’integrità genetica e prevenire il cancro. Il DDR si attiva in risposta a una vasta gamma di danni al DNA, tra cui rotture del doppio filamento, lesioni al singolo filamento, e danni chimici alle basi del DNA. Ecco come funziona il DDR:

Rilevamento del Danno:
- Il primo passo nella DDR è il rilevamento del danno. Proteine sensoriali specifiche riconoscono vari tipi di danni al DNA. Ad esempio, l’ATM e l’ATR sono proteine chiave che rilevano le rotture del doppio filamento e altri tipi di danni, rispettivamente.
Attivazione della Segnalazione:
- Una volta rilevato il danno, queste proteine sensoriali attivano una cascata di segnalazione, reclutando e attivando altre proteine coinvolte nella DDR. Ciò include la fosforilazione di una serie di proteine effettore, come p53, Chk1 e Chk2.
Arresto del Ciclo Cellulare:
- Uno degli effetti più importanti della DDR è l’arresto temporaneo del ciclo cellulare. Questo dà alla cellula il tempo di riparare il danno prima che il DNA danneggiato possa essere replicato o trasmesso durante la divisione cellulare. Ad esempio, p53 può indurre arresto del ciclo cellulare in G1 o G2 fase, prevenendo la mitosi.
Riparazione del Danno:
- Parallelamente, la DDR attiva anche i percorsi di riparazione del DNA appropriati in base al tipo di danno rilevato. Questo include meccanismi come la riparazione per escissione di nucleotidi (NER), la riparazione per escissione di basi (BER), e la riparazione del doppio filamento (DSBR).
Ripresa del Ciclo Cellulare o Apoptosi:
- Se il danno è riparato con successo, la cellula può riprendere il normale ciclo cellulare. Tuttavia, se il danno è troppo esteso e non può essere riparato, la DDR può innescare l’apoptosi, o morte cellulare programmata, per prevenire la propagazione di cellule con DNA gravemente danneggiato.

Ognuno di questi meccanismi di riparazione del DNA svolge un ruolo vitale nel proteggere il genoma da danni che potrebbero altrimenti portare a mutazioni, instabilità genetica e malattie. La ricerca continua a svelare nuovi dettagli su questi processi e come possono essere manipolati per il trattamento di malattie genetiche e oncologiche.

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