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Lindahl, Modrich e Sancar: il Nobel per la Chimica 2015

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di Giuseppe Alonci

Quando pensiamo alla solidità, alla forza, alla resistenza, ciò che prima di ogni altra cosa ci viene in mente sono le rocce e le montagne.
“L’uomo non è che una canna, la più fragile di tutta la natura; ma è una canna pensante. Non occorre che l’universo intero si armi per annientarlo: un vapore, una goccia d’acqua è sufficiente per ucciderlo”.
Per tutti noi la vita non è altro che qualcosa di mutevole e di sfuggevole, la materia organica si corrompe, di decompone e muore. Una montagna rimane lì, immobile e indifferente al passare del tempo.
Questa visione, per quanto diffusissima e sicuramente affascinante, si scontra però con un dato di fatto sconcertante: mentre l’orografia cambia, anche lentamente, mentre i fiumi scavano vallate e le frane ne sfigurano le fiancate, l’uomo è rimasto immutato da migliaia di anni.
Se delle civiltà passate ci rimangono ben pochi manufatti, il nostro patrimonio genetico è infatti rimasto pressoché invariato per migliaia di anni. Nel caso di alcuni batteri potremmo anche dire che è rimasto sostanzialmente immutato per milioni di anni. Tutto questo è ancora più straordinario se pensiamo cosa comporta ogni singola replicazione del DNA, cioè di quella molecola che contiene tutte le informazioni necessarie alla vita di ogni singolo organismo, dal più piccolo batteria all’elefante.
Il DNA di Escherichia coli, un batterio molto comune e utilizzato continuamente nella ricerca genetica, è costituito da 4,64 milioni circa di coppie di basi azotate. Se il DNA è il libro che contiene tutte le istruzioni necessarie alla vita di E. Coli, le basi azotate sono le lettere con le quali questo libro è stato scritto. Il DNA è composto da due filamenti intrecciati tra di loro a formare una doppia elica, ciascuno dei quali è formato da nucleotidi, piccole molecole “mattone” che si susseguono per formare tutto l’edificio del DNA. Sono quattro: Adenina, Citosina, Guanina e Timina, e sono sempre presenti in coppia. L’adenina (A) si accoppia con la timina (T) mentre la citosina (C) con la guanina (G). Questo vuol dire che se un filamento di DNA contiene una sequenza ACATGGCCT allora il filamento speculare sarà TGTACCGGA.

un Nobel per la Chimica, quello del 2015, dedicato agli scopritori dei meccanismi di "riparazione" del DNA

un Nobel per la Chimica, quello del 2015, dedicato agli scopritori dei meccanismi di “riparazione” del DNA

Se volete approfondire l’argomento e capire meglio come è fatto il DNA, vi invito a leggere l’articolo di Sergio Barocci sempre su Chimicare: La struttura degli acidi nucleici (e le loro varianti) .
Un singolo batterio si riproduce una volta ogni 12 ore, possiamo facilmente calcolare che il DNA di un batterio E. Coli è stato replicato circa tremila miliardi di volte da quando il suo precursore è comparso circa 3,5 miliardi di anni fa. In tutte queste operazioni non solo non è mai stata persa nemmeno una singola “riga”, ma addirittura possiamo dire che il nostro “libro” ha provveduto da solo a correggere eventuali difetti di gioventù per adattarsi al mondo che lo circonda.
È un’impresa evidentemente eccezionale. Immaginate di ricopiare a mano tutta la Divina Commedia (circa quattro milioni di caratteri) e poi di passare la vostra copia a un vostro amico, che a sua volte passerebbe la sua copia a un altro suo conoscente, tutto questo tremila miliardi di volte: cosa pensate ne uscirebbe fuori?
In tutto questo immaginate inoltre di non essere in una biblioteca tranquilla, da soli, ma di essere invece sottoposti a continui attacchi, disturbi, tentativi di portarvi fuori strada o di strappare qualche pagina a libro che volete copiare o che volete trasmettere: è quello che succede al DNA quando interagisce con la luce solare, con le radiazioni e con tutta una moltitudine di sostanze chimiche che cercano di danneggiarlo in vario modo.
In realtà il DNA, rispetto al nostro esempio, ha comunque un vantaggio: essendo costituito da una doppia elica di basi complementari, ci sono due filamenti perfettamente idonei ad essere copiati e che contengono esattamente le stesse informazioni. Anche se quindi uno dei due filamenti viene danneggiato, è possibile comunque continuare a trasmettere l’informazione genetica utilizzando l’altro.
Questa perfezione del meccanismo di replicazione non può che farci pensare che debba esistere un meccanismo di riparazione che sorvegli la replicazione e intervenga a correggere eventuali errori che dovessero risultare dalla replicazione o dall’esposizione del DNA agli attacchi del mondo esterno.
Oggi sappiamo che in realtà esistono molti meccanismi deputati a questo compito, grazie alle ricerche pionieristiche di tre scienziati: Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar.

da sinistra a destra: Tomas Lindah, Paul Modrich, Aziz Sancar, Premi Nobel 2015 per la Chimica

da sinistra a destra: Tomas Lindah, Paul Modrich, Aziz Sancar, Premi Nobel 2015 per la Chimica

Fino agli inizi degli anni ’60 l’opinione diffusa tra gli scienziati era che il DNA fosse una molecola particolarmente resistente e molto difficile da degradare. Questo in realtà sembrava un po’ strano: l’RNA, un’altra molecola composta sempre da milioni di basi azotate e il cui compito è leggere le informazioni contenute nel DNA e trasportarle nei ribosomi dove sarà possibile sfruttarle per la sintesi delle proteine, è instabile e si degrada facilmente, anche riscaldandola blandamente. In realtà l’RNA è intrinsecamente più instabile rispetto alla sua molecola “cugina”, ma non al punto da giustificare una così incredibile contrapposizione tra una molecola così fragile e una che invece sembra essere incredibilmente resistente. Tomas Lindahl, che durante il suo lavoro di post-dottorato studiava la molecola di RNA a Princeton, rimase sorpreso da questi fenomeni e pensò che forse meritavano di essere approfonditi. Tornato in Svezia, sua terra natale, Lindahl riusci finalmente a dimostrare che anche il DNA era soggetto a un decadimento progressivo e inesorabile: c’era bisogno di un qualche meccanismo ancora sconosciuto di correzione.
In realtà gli studi di Lindahl erano svolti su DNA batterico, non umano, perché le cellule batteriche sono molto più facili da trattare e perché il loro genoma è decisamente più semplice. Tuttavia i risultati ottenuti sui batteri sono comunque fondamentali, perché le differenze con le più complesse cellule umane sono molto meno delle somiglianze. A dirla tutta sareste sorpresi di scoprire che la maggior parte dei meccanismi biochimici, delle proteine e degli enzimi che regolano la vita di una cellula batterica sono pressoché identici anche nell’essere umano!
Uno dei danni più comuni che Lindahl osservò nel DNA durante i suoi studi era la perdita di un gruppo amminico della citosina. Quando ciò avveniva la base danneggiata, invece di appaiarsi correttamente con la guanina, si appaiava invece con l’adenina. Ma ci sono anche altri meccanismi con i quali alcuni nucleotidi possono essere danneggiati, come l’ossidazione o l’alchilazione, reazioni che portano ad una modifica permanente della base che le subisce.
Questo tipo di errore, la modifica non voluta di una base, può essere disastroso. Se non viene corretto può portare infatti ad un errore nella sintesi di una qualche proteina, errore che potrebbe rendere la proteina inattiva e quindi provocare un danno anche enorme all’organismo. L’anemia falciforme è causata dalla sostituzione nell’emoglobina di un amminoacido, l’acido glutammico, con un altro, la valina, a causa della sostituzione nel DNA di una adenina con una timina. Basta un nucleotide al posto sbagliato e la funzione di una proteina viene completamente compromessa, nonostante questo comporti un errore su un solo amminoacido sbagliato su qualche centinaio che compongono la proteina.

dinamica della Base Excision Repair (BER)

dinamica della Base Excision Repair (BER)

Le ricerche di Lindahl lo hanno portato a scoprire quello che viene chiamato Base Excision Repair (BER), un meccanismo con il quale certi enzimi possono identificare la base danneggiata, rimuoverla e sostituirla con una integra. Questo meccanismo comporta l’intervento prima di una serie di enzimi, chiamati glicosilasi, endonucleasi e liasi, che rimuovono agiscono in maniera concertata per rimuovere dal DNA la base indesiderata, e poi degli enzimi DNA-polimerasi e ligasi che inseriscono la nuova base. Gli studi di Lindahl sono stati così precisi da portarlo a ricreare, nel 1996, in vivo l’intero meccanismo umano di riparazione BER. Un risultato decisamente straordinario!

Un altro meccanismo con il quale il DNA può essere danneggiato è l’esposizione alla luce ultravioletta (UV). È qui che entra in gioco un altro dei premiati di quest’anno, Aziz Sancar.

Quando Sancar iniziò a studiare biochimica c’era un fenomeno molto particolare che aveva attratto l’attenzione degli scienziati. Quando alcuni batteri venivano esposti a dosi letali di radiazioni UV sembravano poi riprendersi dallo shock in due modi diversi: o tramite l’esposizione alla luce blu o attraverso un secondo meccanismo che funzionava anche al buio. Sancar studiò l’effetto della luce blu durante il suo dottorato, e questo lo portò alla scoperta di un enzima, chiamato fotoliasi, che era responsabile di questo tipo di comportamento. Il suo lavoro passò in realtà quasi inosservato e fu costretto ad accettare solamente un posto da tecnico di laboratorio a Yale. Nonostante fosse una posizione più umile rispetto a quella dei suoi colleghi ricercatori, gli permetteva comunque di continuare a fare ricerca. Dopo la scoperta della fotoliasi aveva iniziato a occuparsi del meccanismo con il quale i batteri si riprendevano dai danni della luce UV al buio. Questo lavoro gli permise di identificare dei nuove enzimi che erano coinvolti in nuovo tipo di meccanismo di riparazione del DNA, chiamato NER: Nucleotide Excision Repair. L’effetto della luce UV sul DNA produce danni molto diversi da quelli che avevamo visto in precedenza. Non si tratta più infatti di un danno ad una singola base, ma di un tratto intero di DNA. In particolare è possibile che si formino dei legami indesiderati tra molecole di timina vicine. Questo porta a gravissime distorsioni nella struttura del DNA, che porterebbero ad una scorretta replicazione. In questo caso quindi è necessario rimuovere un segmento più lungo rispetto al singolo nucleotide del meccanismo BER. I primi enzimi a intervenire si chiamano elicasi e servono a srotolare l’elica nel punto desiderato. Delle endunucleasi possono a questo punto tagliare il DNA permettendo di rimuovere tutto il pezzo danneggiato (che può contenere anche una sequenza di 30 nucleotidi). L’enzima DNA-polimerasi forma quindi il nuovo DNA, che è infine ricucito al suo posto da delle ligasi.

Dopo questo incredibile lavoro di ricerca, Sancar fu alla fina assunto come professore associato alla University of North Carolina, dove insieme a Lindahl lavorò per scoprire le basi molecolari del meccanismo NER negli esseri umani, che alla fine si dimostrò più complicato che nei batteri ma comunque molto simile nella logica sottostante.
A questo punto urge una precisazione: anche se i nomi degli enzimi coinvolti nel meccanismo NER sembrano simili a quelli coinvolti nel meccanismo BER, in realtà si tratta di molecole molto diverse. I nomi simili sono dovuti al fatto che ci si sta riferendo a delle classi di enzimi. Una ligasi ad esempio è un generico enzima che si occupa di catalizzare la formazione di un legame tra due molecole diverse. Per ogni specifica reazione sarà però necessario un tipo di ligasi diverso.

dinamica della Nucleotide Excision Repair (NER)

dinamica della Nucleotide Excision Repair (NER)

L’ultimo protagonista di questa avventura è Paul Modrich, scopritore del meccanismo di Mismatch Repair. Questo permette di correggere gli errori di appaiamento delle basi durante la replicazione. Se nei casi precedenti avevamo considerato errori dovuti a dei danni del DNA ora bisogna capire come è possibile correre ai riparti quando, per esempio, l’adenina si appaia alla citosina invece che alla timina come dovrebbe. Riprendendo l’esempio del libro, è come se nei casi precedenti avessimo cercato di sopperire all’azione di qualcuno che cercasse di ostacolare il nostro lavoro dando fuoco alle pagine o strappandole, mentre ora stiamo cercando di capire come fare a scovare gli errori dovuti all’aver scambiato una m per una n.
Alla fine degli anni ’70, Modrich stava studiando un particolare enzima, chiamato Dam Metilasi, che sembrava avere il compito di metilare alcune sezioni del DNA. L’aggiunta di un gruppo metile (cioè di un gruppo -CH3) sembrava essere importante per evidenziare certe regioni del DNA in modo da permettere l’azione selettiva di alcuni enzimi.
Nel frattempo un altro scienziato, Matthew Meselson, stava studiando come i batteri riuscissero a correggere spontaneamente dei DNA danneggiati che venivano introdotti dall’esterno. Meselson era riuscito a costruire dei virus batterici che contenevano un DNA danneggiato in cui le basi erano appaiate nel modo sbagliato. Quando questi virus infettavano le cellule batteriche, quello che succedeva era che i batteri correggevano gli errori che Meselson aveva introdotto di proposito. Questo fenomeno era veramente curioso: per quale motivo un batterio avrebbe dovuto sviluppare un meccanismo simile? La risposta più ovvia sembrava che lo avesse sviluppato per correggere gli errori dovuti alla replicazione del suo DNA! Il problema a questo punto era capire come: il DNA è composto da due eliche, come può il batterio sapere quale dei due filamenti è quello originale e corretto e quale quello sbagliato? I due filamenti effettivamente, dal punto vista chimico, sono entrambi perfettamente sani, non ci sono nucleotidi danneggiati. Immaginiamo una porzione di DNA composta da una sequenza ACA appaiata a TAT. Sappiamo che deve esserci un errore, perché la citosina (C) si accoppia alla guanina (G), non all’adenina (A), che a sua volta si accoppia con la timina (T), non con la citosina. Ma come facciamo a sapere se la versione corretta è ACA-TGT o ATA-TAT?

metilazione del DNA

metilazione del DNA

Meselson propose che la spiegazione potesse risiere nella metilazione, che potrebbe essere una caratteristica che distingue il filamento originale da quello che si forma con la replicazione.
I due scienziati iniziarono quindi una proficua collaborazione che portò alla scoperta del fatto che è proprio la metilazione a permettere di capire quale filamento è quello originale e quale invece deve essere modificato.
I risultati di questo lavoro portarono alla scoperta degli enzimi coinvolti nel Mismatch Repair, tanto che alla fine degli anni ’80 fu possibile ricrearlo in vitro. Gli enzimi coinvolti in E. Coli appartengono alla famiglia Mut: MutS riconosce l’errore e si lega in quel punto al DNA, attivando così MutL che permette l’attivazione di MutH. MutH, insieme a una endonucleasi, rimuove il frammento danneggiato, che viene ricreato da una DNA-polimerasi e riattaccato al suo posto da una ligasi.
Questa volta però il passaggio dai batteri all’essere umano è stato molto più complesso e ancora ci sono dei punti oscuri. In particolare, la metilazione negli esseri umani ha molti altri compiti, tra i quali la regolazione dell’espressione genica.

In conclusione

Il lavoro dei tre scienziati ha portato alla luce diversi meccanismi con il quale il nostro corpo riesce a riparare i danni causati al DNA e gli errori di replicazione. Quando questi meccanismi si inceppano, la conseguenza è spesso un tumore. Il cancro infatti è causato da cellule che contengono del DNA danneggiato e che iniziano a replicarsi in maniera incontrollata. Nel momento inoltre in cui la velocità con cui il DNA subisce danni è maggiore di quella con i quali vengono rimossi possono iniziare a verificarsi dei problemi con la sintesi delle proteine. Questo può portare alla morte della cellula o alla senescenza, cioè all’invecchiamento. Alcune malattie, come la sindrome di Werner o lo Xeroderma Pigmentoso, legati a difetti dei meccanismi di riparazione, portano infatti ad un invecchiamento precoce, alla sensibilità alla luce e ad un aumentato rischio di sviluppo di tumori.

meccanismo di riparazione del DNA

È quindi evidente quanto è stato importante il lavoro di questi scienziati e quanto la medicina e la biologia siano loro debitori. In effetti, è molto probabile che la via per la cura dei tumori passi propri da uno studio e da una comprensione sempre più approfondita di questi complessi ma affascinanti meccanismi.

 

Breve bibliografia

Per scrivere questo articolo mi sono basato principalmente sulle seguenti fonti:

 

Una risposta a Lindahl, Modrich e Sancar: il Nobel per la Chimica 2015

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