07 ottobre 2015

Il premio Nobel per la chimica alla scoperta dei meccanismi di riparazione del DNA

Il riconoscimento dell'Accademia di Svezia è andato quest'anno a Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar, tre pionieri degli studi su differenti meccanismi molecolari che permettono di riparare i danni che può subire il DNA

Il premio Nobel per la chimica di quest'anno è stato assegnato a Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar "per i loro studi sui meccanismi di riparazione del DNA".

Tomas Lindahl, nato a Stoccolma, in Svezia, nel 1938, è attualmente affiliato al Francis Crick Institute di Hertfordshire, nel Regno Unito.

Paul Modrich, nato nel 1946, è affiliato attualmente all'Howard Hughes Medical Institute, di Durham, in North Carolina, Stati Uniti.

Aziz Sancar è nato nel 1946 a Savur, in Turchia, ed è attualmente affiliato all'Università del North Carolina a Chapel Hill, Stati Uniti.

Il DNA è la molecola presente in tutte le cellule di un organismo vivente e che codifica le informazioni fondamentali per il suo funzionamento. Un singolo filamento di DNA è formato da una lunga sequenza di nucleotidi che si differenziano tra loro per una loro parte, denominata base azotata, che può essere di quattro tipi: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T). Per questo si dice spesso che l'intero codice della vita è scritto con sole quattro lettere dell'alfabeto: A, C, G e T.

Un sistema di codifica così complesso è esposto di continuo al rischio di danneggiamento, sia da parte di agenti chimico-fisici ambientali sia per effetto di meccanismi fisiologici che vanno incontro a errori. Alcuni di questi danni restano nel patrimonio genetico senza dare grossi problemi, mentre altri determinano un'instabilità della molecola di DNA e rendono impossibile l'espressione di specifici geni, causando malattie come i tumori o patologie neurodegenerative.

L'evoluzione ha però dotato tutti gli esseri viventi di un efficiente sistema di "riparazione" del DNA che riduce gli errori a un livello accettabile. Il primo meccanismo di riparazione
scoperto storicamente deriva da ricerche sulla fotoriattivazione, studiata fin dagli anni venti del Novecento, ben prima che venisse individuato il DNA, nel 1953, come molecola che codifica l'informazione genetica. In sintesi, la fotoriattivazione è la ripresa delle normali attività cellulari, indotta dall'illuminazione con luce visibile in una cellula dopo che è stata danneggiata e interrotta da radiazione X o ultravioletta.

Il premio Nobel per la chimica alla scoperta dei meccanismi di riparazione del DNA
Rappresentazione artistica del DNA: le cellule hnno un complesso macchinario di riparazione di diversi danni che possono colpire la molecola che conserva il codice genetico (© Sean Busher/Corbis)
 
Fu l'italiano Renato Dulbecco, premio Nobel per la medicina o la fisiologi nel 1975, a scoprire in una ricerca del 1950 che alla base della fotoriattivazione c'è un meccanismo enzimatico, la cui attività dipende dalla luce. L'enzima in questione, scoperto negli anni successivi, è denominato fotolitasi.

Negli anni sessanta si riuscì a dimostrare che l'effetto sul DNA dell'irradiazione con raggi ultravioletti è l'introduzione di dimeri di timina, cioè l'unione tra due residui di timina sullo stesso lato della doppia elica del DNA. La luce visibile invece attiva il meccanismo molecolare che ne consente l'escissione, cioè l'eliminazione, poi denominato riparazione per escissione di nucleotidi (nucleotide excision repair, NER).

Il premio Nobel per la chimica è stato conferito ad Aziz Sancar per i suoi contributi alla caratterizzazione di questo complesso macchinario di riparazione del DNA. Nel 1978, quando era ancora studente, Sancar riuscì a clonare il gene del batterio Escherichia coli per la fotolitasi e ad amplificare il prodotto in vivo, caratterizzando per la prima volta l'enzima. Successivamente, inventò un metodo per identificare le proteine implicate nel processo, ricostruendo tutti i passi essenziali della riparazione per escissione di nucleotidi, illustrati in uno studio pubblicato nel 1983. Negli anni tra il 1984 e il 1989, Sancar dimostrò che la fotolitasi è in grado di convertire l'energia della luce in energia chimica, necessaria a innescare la rimozione dei dimeri di timina dal DNA.

Capire in che modo il DNA viene danneggiato da un agente fisico è stato un passo fondamentale. Ma occorre considerare anche che il DNA ha una stabilità chimica limitata pure in assenza di di agenti chimico-fisico esterni, come hanno dimostrato le ricerche del secondo premiato di quest'anno, Tomas Lindhal.

In condizioni fisiologiche, il DNA è infatti soggetto a una serie di reazioni chimiche in grado di modificare le basi del DNA e con ciò di aumentare il rischio di mutazioni dannose. Lindhal in particolare ha dimostrato che in un processo chiamato depurinazione i nucleotidi possono perdere in modo spontaneo le basi azotate adenina e guanina, chiamate purine. Un'altra scoperta fondamentale di Lindhal è che, sempre in condizioni fisiologiche, nel DNA c'è un tasso relativamente elevato del processo di deaminazione della citosina, in cui questa base azotata perde il gruppo amminico, trasformandosi in uracile (la base azotata che sostituisce la timina nell'RNA).

Partendo dalla considerazione che una lesione così frequente del DNA doveva avere qualche meccanismo di riparazione, Lindhal è arrivato alla scoperta delle proteine uracil-DNA glicosilasi (UNG) e 3-metiladenina glicosilasi, che oggi sappiamo essere parte di un complesso macchinario noto come riparazione per escissione di basi (base excision repair, BER).

Il DNA e i meccanismi molecolari che ne consentono la replicazione sono una straordinaria macchina per conservare le informazioni necessarie alla vita e per la loro trasmissione alla prole. La divisione cellulare è tuttavia un passaggio delicato, in cui devono essere duplicate circa tre miliardi di basi; quindi qualche errore inevitabilmente si verifica. Quando gli errori portano alla mancata formazione dell'accoppiamento delle basi  -  A si accoppia solo con T e C solo con G - si parla di appaiamento errato (mismatch).

Anche per l'appaiamento errato c'è un'apposito macchinario molecolare di riparazione, il cui funzionamento è stato chiarito grazie alle ricerche di Paul Modrich, il terzo dei premiati di quest'anno. Nel 1983, Modrich dimostrò che un passaggio chiave della riparazione degli errori di appaiamento è la metilazione, cioè il legame di un gruppo metile, alle basi del DNA. Anni di studi portarono Modrich a dimostrare anche che il processo di riparazione dipende dell'ATP, la molecola che è anche fonte di energia usata in molti processi che si svolgono nella cellula, e, nel 1989, a ricostruire l'intero processo di riparazione in vitro, con la definizione di molte delle molecole implicate. Negli anni duemila, infine, le ricerche di Modrich si sono estese ai meccanismi di riparazione del DNA nelle cellule eucariote, con importanti risultati.


Tomas Lindahl, nato a Stoccolma, in Svezia, nel 1938, ha conseguito il PhD presso il Karolinska Institut della stessa città, e un dottorato in medicina nel 1970. Ha effettuato i suoi studi prima alla Princeton University e poi alla Rockefeller University. Si è stabilito in seguito nel Regno Unito, continuando la sua carriera accademica al Cancer Research UK a partire dal 1981.

Paul Modrich, nato a Raton, negli Stati Uniti, nel 1946, ha conseguito il PhD nel 1973.

Aziz Sancar è nato nel 1946 a Savur, in Turchia. Dopo la laurea all'Università di Istanbul, ha conseguito il PhD all'Università di Dallas, in Texas.