Svelare i segreti della riparazione del DNA

I nostri corpi sono esperti nella cura del nostro DNA e lo monitorano continuamente alla ricerca di eventuali danni che devono essere riparati per mantenerci in salute. Le parti del DNA che sono molto ripetitive, come la sequenza che causa la malattia di Huntington (MH), sono molto difficili da curare e il nostro corpo può provare a ripararle, ma peggiorare la situazione! Questo può allungare le sequenze di ripetizioni e renderle ancora più tossiche per le nostre cellule. In questo studio guidato dalla fondazione CHDI, i ricercatori esaminano in dettaglio le proteine responsabili dell’allungamento di queste sequenze nella MH, in modo da avere un’idea migliore di come funzionano e di come potremmo essere in grado di fermarle. Diamo un’occhiata più da vicino.

La cerniera difettosa: come la riparazione del DNA alimenta la MH

Il DNA è composto da quattro lettere: A, T, G e C. Le sequenze di queste lettere costituiscono le istruzioni per dire al nostro corpo come produrre tutte le diverse proteine di cui abbiamo bisogno per funzionare ed essere sani. Nella MH è presente un tratto più lungo di ripetizioni di lettere C-A-G nella sequenza del gene Huntingtin. Nel corso della vita, la dimensione di queste ripetizioni può aumentare in alcune delle cellule cerebrali più colpite dalla MH. Questo processo è chiamato espansione somatica.

Immagina che il DNA nelle tue cellule sia come la cerniera di una giacca e che i denti della cerniera siano le lettere del DNA. Normalmente la cerniera si muove su e giù senza problemi, ma ci possono essere punti deboli dove è facile che si formi un rigonfiamento o un anello.

Hai un sarto che ripara gli errori della cerniera e la maggior parte delle volte è estremamente utile. Ma nel punto debole della cerniera, il sarto a volte peggiora il problema e, invece di appiattire il rigonfiamento, aggiunge denti extra alla cerniera.

Ora, ogni volta che la cerniera viene aperta e chiusa, il punto debole ha la possibilità di ingrandirsi. Nella MH, il punto debole è come le ripetizioni C-A-G nel DNA dell’Huntingtin e il sarto è il meccanismo di riparazione del DNA nella cellula. Questo è un importante guardiano del DNA nelle nostre cellule, in particolare per prevenire cambiamenti nella nostra sequenza di DNA, che potrebbero causare il cancro. Nonostante ciò, le lunghe ripetizioni C-A-G, come quelle coinvolte nella MH, a volte possono confondere la risposta di riparazione, causando un allungamento ancora maggiore delle ripetizioni. Questo processo è chiamato espansione somatica e alcuni scienziati pensano che questo possa far ammalare alcune cellule cerebrali.

Una parte importante del sarto della riparazione del DNA coinvolto nell’espansione sono due proteine chiamate MSH2 e MSH3. Lavorano insieme come una squadra e sono collettivamente conosciute come MutSβ (pronunciato mute-ess-behta). Precedenti analisi del DNA di migliaia di individui con MH ci hanno dimostrato che MutSβ può influenzare l’età in cui iniziano i sintomi. Per questo motivo MutSβ è diventata un’area entusiasmante della ricerca sulla MH, che ha dimostrato che impedire a MutSβ di agire sulla cerniera del DNA danneggiato potrebbe aiutare a rallentare l’espansione somatica e la progressione della malattia.

Gli studi di ricerca ci stanno mostrando sempre più che l’inibizione di MSH3, o la riduzione della quantità di MSH3 nel cervello, può impedire l’allungamento delle ripetizioni C-A-G e può persino ridurre la lunghezza di C-A-G, rendendola un obiettivo interessante per nuove potenziali terapie per la MH.

Dare una sbirciatina a come funzionano le proteine di riparazione del mismatch

Per capire meglio come il complesso MutSβ può peggiorare la cerniera del DNA, gli autori hanno utilizzato una tecnica chiamata microscopia crioelettronica (cryo-EM). Questo è un modo per osservare la forma e la struttura delle molecole proteiche, come scattare un’istantanea del loro aspetto in un momento specifico nel tempo.

Immagina di voler vedere come appare realmente un fiocco di neve. Se lo lasci troppo a lungo sul tuo guanto dopo che è atterrato, si scioglierà o cambierà forma prima che tu possa vedere tutti i suoi intricati dettagli.

Cryo-EM funziona come una fotocamera per minuscoli “fiocchi di neve” biologici. I campioni vengono congelati rapidamente in modo che la proteina rimanga intrappolata nella sua forma naturale. Vengono scattate molte istantanee, che possono catturare diverse forme e posizioni che la proteina può formare. Questo ci aiuta a ricostruire come le proteine cambiano conformazione per svolgere il loro lavoro.

In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato cryo-EM per scattare una foto di MutSβ sia prima che dopo che si è legata al DNA. Sono stati in grado di produrre 9 immagini distinte di MutSβ, comprese le seguenti condizioni:

• Quando non è attaccato al DNA
• Quando è legato a DNA normale senza errori
• Quando è legato al DNA con DNA spaiato

Queste immagini mostrano come il complesso MutSβ si muove e cambia forma quando individua errori nel DNA. Normalmente, questo aiuta la cellula a riparare il DNA, ma nel caso della MH, può peggiorare le cose.

I ricercatori hanno scoperto che la forma e la posizione di MutSβ dipendono dal fatto che sia attaccato al DNA e da piccole molecole di energia come l’ATP. Le molecole di ATP sono come i pacchetti di energia della cellula, un po’ come il carburante per un motore, che può mantenere tutto in funzione. Entrambe le parti di MutSβ, MSH2 e MSH3, possono afferrare l’ATP e usarlo per eseguire riparazioni sul DNA.

Le istantanee di MutSβ di questo studio mostrano che inizia con una forma a morsetto aperto. Questo morsetto aperto può afferrare il DNA e scansionarlo, alla ricerca di errori nella cerniera del DNA. Quando viene trovato un errore, il morsetto si chiude di scatto e può scorrere lungo il DNA, alimentato da ATP. Questo dà il via alle fasi successive del processo di riparazione. Una volta terminato il suo lavoro, MutSβ utilizza più ATP per staccarsi dal DNA.

Perché ci interessa la struttura di MutSβ?

Capendo la forma di MutSβ nel modo più dettagliato possibile, soprattutto quando svolge il suo lavoro di riparazione del DNA, possiamo trovare delle tasche sulla superficie della proteina a cui un futuro farmaco potrebbe attaccarsi per interrompere questo processo. Come cercare la chiave giusta che si adatti perfettamente a una specifica serratura. Se sappiamo come appare la proteina, possiamo progettare perfettamente un farmaco che dovrebbe legarsi saldamente da qualche parte sulla proteina e impedirle di funzionare. In definitiva, essere in grado di fermare o persino invertire l’espansione delle ripetizioni C-A-G potrebbe essere un’ottima via terapeutica per la MH, così come per altre malattie causate anche dall’espansione delle ripetizioni, tra cui diverse atassie spinocerebellari e l’atrofia muscolare spinale e bulbare.

Riassunto:

• MutSβ (MSH2 + MSH3) è una macchina di riparazione del DNA che normalmente aiuta a prevenire le mutazioni che causano il cancro.
• Nella MH, MutSβ può a volte accidentalmente allungare le ripetizioni CAG nel gene HTT, il che si pensa porti alla morte neuronale e a una più rapida progressione della malattia.
• Nuovi dati sulla struttura 3D delle proteine MutSβ e su come funziona questa macchina molecolare aiuteranno la progettazione di farmaci che possono inibirne l’attività, prevenendo l’allungamento delle ripetizioni CAG.

Per saperne di più

Articolo di ricerca originale, “Elucidation of multiple high-resolution states of human MutSβ by cryo-EM reveals interplay between ATP/ADP binding and heteroduplex DNA recognition” (accesso aperto).