La Manutenzione del Dna

Come le piante preservano l'informazione genetica

In tutti gli organismi, il DNA subisce danni e alterazioni che richiedono imperativamente una riparazione continua e accurata per preservare l'integrità dell'informazione genetica.

È vero che mutazioni di diverso grado sono alla base dell'evoluzione molecolare, ma la sopravvivenza stessa degli organismi sarebbe minacciata se non venissero riparati i danni potenzialmente mutageni e citotossici che fattori endogeni ed esogeni provocano sul DNA.

Idrolisi spontanea e ossidazione dovuta all'ossigeno attivo derivato dal metabolismo cellulare sono tra i fattori endogeni pericolosi, mentre raggi UV e mutageni chimici sono tra i fattori esogeni che danneggiano il DNA.

La persistenza di queste alterazioni può causare l'arresto della replicazione o della trascrizione del DNA, il blocco del ciclo cellulare e l'apoptosi, mentre la loro incorretta riparazione determina l'introduzione di mutazioni ereditarie più o meno estese (mutazioni puntiformi, delezioni, inserzioni).

Le piante non fanno eccezione tanto più che come fototrofi obbligati sono sottoposte ad una esposizione continua alla luce e quindi alla sua immancabile componente di raggi UV che i pigmenti dei fotosistemi non possono schermare completamente.

L'UV provoca danni lievi o alterazioni più gravi come dimeri di pirimidina contenenti ciclobutano o fotoprodotti "6-4" particolarmente tossici.

I meccanismi di correzione sono molteplici, spesso danno-specifici e consistono per lo più in un intervento puntiforme sulla base alterata o in un'azione più estesa sulla zona danneggiata.

I dimeri di pirimidina sono il substrato di un enzima universalmente presente, la fotoliasi che, con una reazione fotochimica che utilizza la luce visibile, converte il dimero nelle singole basi.

Il sistema BER (Base Excision Repair) (figura A), che ripara tra gli altri i danni lievi provocati dall'UV (ad esempio 8-idrossiguanosina, 8-oxoG) e in generale i danni dovuti a fattori endogeni, agisce in modo più complesso secondo una successione di reazioni enzimatiche.

Una glicosilasi individua e rimuove la base anomala, una endonucleasi taglia l'impalcatura e crea un innesco per una DNA polimerasi che sintetizza un nuovo nucleotide corretto che verrà saldato alla catena da una DNA ligasi.

Il sistema NER (Nucleotide Excision Repair) (figura B), coinvolto per lo più nella riparazione dei danni derivati da fattori esogeni, riconosce le distorsioni più importanti della doppia elica e le ripara secondo un meccanismo di rimozione e sintesi di un tratto più esteso di DNA.

Una endonucleasi taglia a monte e a valle del sito alterato, l'oligonucleotide di 24-32 basi viene rimosso e una polimerasi sintetizza un filamento corretto che verrà saldato in seguito da una DNA ligasi.

Se molto si sa sui meccanismi di riparazione di batteri, lievito e mammiferi, le piante restano relativamente inesplorate.
Di recente è stato isolato in Arabidopsis il gene atrad1 che codifica l'omologo della endonucleasi RAD-1 del lievito Saccaromyces cerevisiae coinvolta nel sistema NER (Gallego et al., 2000).

Piante prive di AtRAD1 sono ipersensibili a UV-B, UV-C e raggi?

La messa a punto di un saggio in vitro capace di seguire la riparazione del DNA a partire da un estratto cellulare di Arabidopsis, ha permesso di aggiungere nuovi dettagli alla comprensione dei processi di riparazione in un sistema vegetale (Li et al., 2002).

Semplificando, le tappe principali del saggio sono:

[inline: 1= Immagine - 1 - ripara dna] Immagine - 1 - ripara dna

Immagine 1 Il saggio - derivato dalla modificazione di un protocollo ottimizzato per cellule di mammifero- si basa sulla possibilità di mettere in evidenza la sintesi di DNA a carico sostanzialmente della NER (segmento in verde in figura B: la marcatura a carico di BER è lieve o trascurabile) fornendo al sistema dei nucleotidi marcati.

Il saggio viene condotto al buio per eludere l'intervento della fotoliasi e, prendendo come punto di partenza l'analogia con il sistema del lievito e dei mammiferi, cerca di distinguere NER e BER esponendo il DNA a tre diversi agenti genotossici: luce UV (danni riparati dalla BER e dalla NER), cisplatino (danni riparati dalla NER) e blu di metilene + luce visibile (danni riparati dalla BER, principalmente 8-oxoG).

Gli estratti cellulari derivano da piante in cui AtRAD1 è presente e da piante in cui la sintesi dell'enzima è silenziata.

Una serie di interessanti risultati hanno permesso di concludere che i danni indotti da cisplatino determinano un intervento importante della NER e che la presenza di una elevata marcatura dovuta alla riparazione dei danni indotti da blu di metilene+ luce visibile suggerisce il coinvolgimento della NER nella riparazione di danni ritenuti per lo più substrato della BER.

Infine si è visto che gli estratti cellulari privi dell'attività di AtRAD1 sono molto meno efficienti nella riparazione dei danni dovuti all'esposizione a cisplatino, ma anche a blu di metilene, confermando il ruolo dell'enzima nella NER e del diretto o indiretto coinvolgimento della NER nella riparazione dei danni ossididativi attribuiti alla BER.

Lo scenario è complesso e esige ulteriori studi per essere compreso in dettaglio, ma il suo ruolo è chiaro: il DNA richiede una costante, accurata e laboriosa riparazione per svolgere la sua funzione di stabile depositario dell'informazione genetica.

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Immagine - 2 - ripara dna

Bibliografia

Gallego, F., Fleck, O., Li, A., Wyrzykowska, J. and Tinland, B. (2000). AtRAD1, a plant homologue of human and yeast nucleotide excision repair endonucleases, is involved in dark repair of UV damages and recombination. Plant J. 21 (6): 507-518.

Li, A., Schuermann, D., Gallego, F., Kovalchuk, I. and Tinland, B. (2002). Repair of damaged DNA by Arabidopsis cell extract. Plant Cell 14: 263-273.

Sitografia

Base excision repair - From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Base_excision_repair

Base Excision Repair (BER) - Roswell Park Cancer Institute http://asajj.roswellpark.org/huberman/DNA_Repair/ber.html