frame|right|Il danno al DNA determina rotture cromosomiche multiple
La riparazione del DNA è un processo che opera costantemente nelle cellule; essa è essenziale alla sopravvivenza in quanto protegge il genoma da danni e mutazioni nocive. Nelle cellule umane, sia le normali attività metaboliche che i fattori ambientali (quali i raggi UV) possono causare danno al DNA, determinando almeno 500000 singole lesioni molecolari per cellula al giornoLodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J. (2004). Molecular Biology of the Cell, p963. WH Freeman: New York, NY. 5th ed.. Tali lesioni provocano danno strutturale alla molecola di DNA, e possono alterare in maniera drammatica il modo in cui la cellula legge le informazioni contenute nei suoi geni. Di conseguenza, il processo di riparazione del DNA deve lavorare in continuazione, per correggere qualsiasi danno nella struttura del DNA.
Quando la cellula invecchia, tuttavia, la velocità di riparazione del DNA decresce fino a che non può tenere più il passo con la creazione del danno al DNA. A quel punto la cellula va incontro ad uno dei tre possibili destini:
Uno stato di dormienza irreversibile, detto senescenza. Il suicidio della cellula chiamato apoptosi o morte cellulare programmata. La carcinogenesi, ossia la formazione del cancro.
La maggior parte delle cellule del corpo diviene inizialmente senescente. Poi, dopo un danno irreparabile al DNA, va incontro ad apoptosi. In tal caso, l'apoptosi rappresenta un meccanismo di ultima istanza per prevenire la trasformazione carcinogenica di una cellula, pericolosa per l'organismo.
Quando le cellule divengono senescenti, le alterazioni nella biosintesi e nel turnover determinano una minore efficienza nel loro funzionamento, causando inevitabilmente malattia. La capacità di riparazione del DNA in una cellula è vitale per l'integrità del suo genoma e quindi per il normale funzionamento della cellula stessa e di tutto l'organismo. Molti geni, originariamente ritenuti capaci di influenzare la durata della vita, si sono dimostrati coinvolti nella riparazione e nella protezione dal danno al DNABrowner WS, Kahn AJ, Ziv E, Reiner AP, Oshima J, Cawthon RM, Hsueh WC, Cummings SR. (2004). The genetics of human longevity. Am J Med 117(11):851-60..
Errori nella correzione delle lesioni in cellule che producono gameti danno origine ad una progenie mutata e quindi possono influenzare la velocità di evoluzione.
«Per i loro studi sui meccanismi di riparazione del DNA» il Premio Nobel per la chimica del 2015 è stato assegnato a Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar.
Danno del DNA Il danno al DNA, causato da normali processi metabolici nella cellula, si verifica ad un tasso che varia da 1000 ad un milione di lesioni molecolari per cellula al giorno. Tuttavia, molte cause di danneggiamento possono incrementare questa velocità. Sebbene ciò costituisca solo lo 0.000165% dei tre miliardi di paia di basi del genoma umano, una singola lesione non riparata in un gene critico per il cancro può avere conseguenze catastrofiche per un individuo.
Danno al DNA mitocondriale contro danno al DNA cellulare Nelle cellule umane, ed in quelle eucariotiche in generale, il DNA è localizzato in due differenti compartimenti - nel nucleo e nei mitocondri. Il DNA nucleare (nDNA) esiste in strutture aggregate su larga scala note come cromosomi, che sono composte da avvolgimenti di DNA intorno a proteine simili a perle denominate istoni. Quando una cellula deve esprimere l'informazione genetica codificata nel suo nDNA, la relativa regione cromosomica viene svolta, i geni localizzati all'interno di essa vengono espressi, e quindi la regione viene nuovamente condensata nella sua conformazione quiescente. Il DNA mitocondriale (mtDNA) è situato nei mitocondri ed costituito da 5-10 molecole di DNA circolare privo di istoni contenenti un totale di 37 geni. Nei mitocondri, le specie reattive dell'ossigeno (ROS), e i radicali liberi, originati dalla continua produzione di adenosintrifosfato (ATP) mediante fosforilazione ossidativa, creano un ambiente altamente ossidativo in grado di danneggiare il mtDNA.
Cause di danno Il danno al DNA può essere classificato in due tipi principali:
danno endogeno, come quello causato dall'attacco di radicali reattivi dell'ossigeno derivanti da sottoprodotti del normale metabolismo cellulare (mutazioni spontanee); danno esogeno, causato da agenti esterni quali radiazioni ultraviolette provenienti dal sole (UVA 315-400 nm - UVB 280-315 nm e UVC 100-280 nm) tra questi si pensa che gli UVB rappresentano i più pericolosi anche se a causa dell'assottigliamento dell'ozono anche i raggi UVC hanno dimostrato particolare pericolosità Robbins, Cotran "Le basi patologiche delle Malattie" capitolo "Le Neoplasie" ed. italiana Piccin - Pavia. radiazioni di diversa frequenza, comprendenti i raggi-X ed i raggi gamma idrolisi o distruzione termica alcune tossine vegetali mutageni chimici prodotti dall'uomo, come gli idrocarburi derivanti dal fumo di sigaretta chemioterapia o radioterapia
La replicazione di DNA danneggiato prima di una divisione cellulare può portare all'incorporazione di basi scorrette complementari alle basi danneggiate. Una volta che le basi scorrette sono state ereditate dalle cellule figlie, queste ultime diventano cellule mutate (cellule che portano mutazioni), e non vi è più modo di tornare indietro (tranne rarissimi processi di retromutazione e conversione genica).
Tipi di danno Il danno endogeno coinvolge la struttura primaria piuttosto che la struttura secondaria della doppia elica. Esso può essere suddiviso in quattro classi: ossidazione di basi [es. 8-oxo-7,8-diidroguanina (8-oxoG)] e generazione di interruzioni nei filamenti di DNA ad opera di specie reattive dell'ossigeno, alchilazione di basi (generalmente metilazione), con formazione, ad esempio, di 7-metilguanina idrolisi di basi, come la depurinazione e la depirimidinazione mismatch (appaiamento errato) di basi, dovute ad una replicazione del DNA in cui la base scorretta è "cucita" nel filamento che formerà la nuova molecola di DNA.
Meccanismi di riparazione del DNA Le cellule non possono tollerare un danno al DNA che comprometta l'integrità e l'accessibilità di informazioni essenziali nel genoma (tuttavia le cellule restano superficialmente funzionali quando i cosiddetti geni "non essenziali" mancano o sono danneggiati). Una varietà di strategie di riparazione si è evoluta per ripristinare l'informazione perduta, secondo il tipo di danno inflitto alla struttura a doppia elica del DNA. Le cellule utilizzano, come stampo per il ripristino, il filamento complementare non modificato di DNA, oppure il cromosoma fratello. In mancanza di un accesso all'informazione dello stampo, il riparo del DNA è soggetto ad errori (ma ciò può essere anche una via standard: molte rotture del doppio filamento nelle cellule di mammifero, ad esempio, sono riparate senza assistenza da parte di uno stampo; vedi sotto).
Il danno al DNA altera la configurazione spaziale dell'elica e tali alterazioni possono essere rilevate dalla cellula. Una volta che il danno è stato localizzato, molecole specifiche di riparo del DNA sono reclutate e vanno a legarsi su o presso il sito di lesione, inducendo altre molecole a legarsi fino a formare un complesso che rende possibile il riparo. I tipi di molecole coinvolte ed il meccanismo di riparo che viene attivato dipendono: dal tipo di danno al DNA dal fatto che la cellula sia entrata o no in uno stato di senescenza dalla fase del ciclo in cui si trova la cellula
Danno al singolo filamento Quando solo uno dei due filamenti di un cromosoma presenta un difetto, l'altro filamento può essere usato come stampo per guidare la correzione del filamento danneggiato. Al fine di riparare il danno di una delle due eliche di DNA, ci sono numerosi meccanismi tramite i quali si può realizzare la riparazione del DNAWatson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R. (2004). Molecular Biology of the Gene, ch. 9 and 10. Peason Benjamin Cummings; CSHL Press. 5th ed.. Questi includono: Reversione diretta del danno mediante vari meccanismi specializzati. Esempi sono la metil guanina metil transferasi (MGMT) che rimuove specificamente gruppi metilici dalla guanina, e la fotoliasi nei batteri, che rompe il legame chimico creato dai raggi ultravioletti tra basi adiacenti di timina. Nessun filamento-stampo è richiesto per questo tipo di riparo. Meccanismi di riparazione per escissione, che rimuovono il nucleotide danneggiato sostituendolo con un nucleotide non danneggiato complementare al nucleotide presente nel DNA non danneggiato. Questi comprendono: Riparazione per escissione di base (Base Excision Repair, o BER) che ripara il danno che coinvolge un singolo nucleotide, causato da ossidazione, alchilazione, idrolisi, oppure deaminazione;il meccanismo enzimatico parte dall'attivazione di una DNA-glicosilasi che riconosce la base alterata e rompe il legame N-glicosidico, poi una AP-endonucleasi 1 (AP: sito a-purinico o apirimidinico, più in generale noto come sito abasico) elimina la base azotata, lasciando il fosfato e il deossiribosio; ancora, una liasi toglie fosfato e zucchero così che una DNA-polimerasi leghi il nuovo nucleotide e la ligasi lo incorpori nel filamento. Il BER quindi può riparare la de-aminazione della Citosina in Uracile o la trasformazione della Guanina in 8-oxo-guanina, analogo dell'adenina. Riparazione per escissione di nucleotidi (Nucleotide Excision Repair, o NER), che ripara un danno che coinvolge filamenti lunghi da 2 a 30 nucleotidi. Questi includono danni da voluminosa distorsione dell'elica, quali i dimeri di timina causati da luce UV, che provocano mutazioni di un singolo filamento. La sequenza enzimatica è: il complesso XPC-hHR23B (o Rad23B) riconosce il sito da riparare, XPB e XPD (elicasi) srotolano l'elica, XPG e XPF (endonucleasi) tagliano ed eliminano l'oligonucleotide contenente il danno, DNA-polimerasi sintetizza nuovamente il DNA nel sito del danno, Dna-Ligasi che "ricuce" il filamento riparato. Una forma specializzata di NER nota come riparazione associata alla trascrizione (Transcription-Coupled Repair, o TCR) dispiega enzimi NER ad alta priorità per geni che sono attivamente trascritti; Mismatch Repair (MMR), che corregge errori di replicazione e di ricombinazione genetica che determinano la formazione di nucleotidi male appaiati in seguito alla replicazione del DNA. Gli enzimi coinvolti e studiati in E. Coli sono: MutS, che riconosce il mismatch e vi si lega; MutL, attivato dal complesso DNA-MutS, che attiva a sua volta MutH, che insieme ad una endonucleasi taglia il frammento contenente il mismatch, dopo che la elicasi ha aperto la doppia elica, così che la DNA-polimerasi possa aggiungere il frammento opportuno e la ligasi unire gli estremi dei due filamenti. I corrispettivi umani di tali enzimi sono: MSH6 e MSH2 (per MutS); MLH1 e PMS2 (per MutL). Di questi quelli generalmente mutati e coinvolti nella cancerogenesi sono il MSH2 e MLH1 (v. ad esempio la sindrome del carcinoma del colon-retto non poliposico HNPCC).
Riparazione associata alla trascrizione
Nonostante il genoma sia sempre "sorvegliato" in tutta la sua struttura, esistono meccanismi atti a garantire che le zone di maggior rilevanza siano corrette prima. La priorità assoluta, ad esempio, è data alla correzione delle sequenze che trascrivono per proteine che sono attivamente espresse dalla cellula. Ciò avviene perché le RNA polimerasi son capaci di bloccarsi nei siti coinvolti da una lesione, dirigendo il macchinario di riparazione in questi siti. Questo porta ad una riparazione del DNA altamente specifica ed efficiente, che garantisce di riparare prima i danni più gravi e solo dopo procedere a riparare i danni che han subito zone non significative per la vitalità della cellula.
Rotture del doppio filamento