MECCANISMI DI RIPARAZIONE DEL DNA

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1 MECCANISMI DI RIPARAZIONE DEL DNA

2 MUTAZIONI SPONTANEE ED INDOTTE Il danno al DNA non riparato può portare a mutazioni che causano malattie o morte delle cellule. Le mutazioni derivano da cambiamenti della sequenza dei nucleotidi del DNA, o da delezioni, inserzioni o riarrangiamenti di sequenze di DNA genomico. Mutazione spontanea si verifica come risultato di processi naturali che avvengono nelle cellule (errori di replicazione). Mutazione indotta si verifica come risultato di interazioni del DNA con un agente od un mutageno esterno che provoca un danno al DNA.

3 MUTAZIONI SPONTANEE ED INDOTTE Mutazione puntiforme incorporata permanentemente dalla replicazione del DNA

4 MUTAZIONI SPONTANEE ED INDOTTE

5 Le mutazioni sono importanti come fonte principale di variazione genetica cambiamenti evolutivi. Le mutazioni possono avere conseguenze deleterie o (raramente) vantaggiose per un organismo o per i suoi discendenti. Gli organismi mutanti sono strumenti importanti per la caratterizzazione dei geni coinvolti nei processi cellulari. Mutazioni puntiformi: mutazioni che alterano una sola coppia di nucleotidi. Espansioni delle ripetizioni trinucleotidiche. Inserzioni o delezioni. Grandi riarrangiamenti cromosomici.

6 MUTAZIONI PER SOSTITUZIONE

7 MUTAZIONI PER SOSTITUZIONE Le sostituzioni nucleotidiche spontanee tendono ad essere transizioni. Nel genoma umano il rapporto trans:transv è 2:1. Effetto fenotipico: se alterano un nucleotide cruciale in una regione di regolazione di un gene, nello stampo di una molecola funzionale di RNA o provochino mutazioni in un gene che codifica per una proteina. Mutazioni nei geni codificanti per proteine: Silenti; Missenso (anemia falciforme: AT TA); Nonsenso (creazione di un nuovo codone di stop).

8 MUTAZIONI PUNTIFORMI IN SEQUENZE CODIFICANTI Delezione di 3 coppie di nt nel gene CFTR porta alla perdita del codone della Phe.

9 ESPANSIONE DELLE RIPETIZIONI TRINUCLEOTIDICHE

10 CLASSI GENERALI DEL DANNO AL DNA Tre classi principali di danno al DNA: Cambiamenti di singole basi; Distorsione strutturale; Danno all ossatura del DNA.

11 MUTAZIONI SPONTANEE ED INDOTTE

12 MUTAZIONI SPONTANEE ED INDOTTE

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14 CAMBIAMENTI DI SINGOLE BASI Deaminazione. Alchilazione per effetto di agenti alchilanti come le nitrosammine. O 6 -metilguanina si accoppia in modo sbagliato con T. Ossidazione agenti ossidanti (radiazioni ionizzanti od agenti chimici che generano radicali liberi) G diventa OxoG che si puo accoppiare con A.

15 MUTAZIONI SPONTANEE ED INDOTTE

16 MUTAZIONI SPONTANEE ED INDOTTE DISTORSIONE STRUTTURALE Le distorsioni strutturali possono impedire la trascrizione e la replicazione bloccando il movimento delle polimerasi

17 Addotti voluminosi possono essere indotti da mutagenesi chimica. Agenti intercalanti come il bromuro di etidio contengono diversi anelli policiclici, così che si inseriscono facilmente tra le basi del DNA distorsione della doppia elica del DNA. Analoghi delle basi azotate, come il 5- bromouracile, un analogo della timina, che però si può accoppiare a G.

18 DANNO ALL OSSATURA DEL DNA Formazione di siti abasici: idrolisi spontanea del legame glicosidico tra lo zucchero e la base azotata (frequente per le purine). Rottura a doppio filamento indotta da radiazioni ionizzanti (raggi X, radioisotopi) e da composti chimici. Le rotture al doppio filamento sono il tipo più grave di danno al DNA.

19 RISPOSTA CELLULARE AL DANNO AL DNA Aggiramento del danno. Inversione del danno. Rimozione del danno.

20 Tipo Danno Proteine di riparazione Aggiramento del danno Sintesi translesione del DNA Inversione del danno Dimero di pirimidina o sito apurinico DNA pol. IV e V in E. coli Pol.,,, e negli esseri umani Sistemi di Riparazione del DNA Fotoriattivazione Dimeri di pirimidina DNA fotoliasi Rimozione di gruppi metilici O 6 -Metilguanina Metiltransferasi Rimozione del danno Riparazione per escissione delle basi Riparazione delle basi male appaiate Riparazione per escissione dei nucleotidi Riparazione per rottura a doppio filamento Base danneggiata Errori di replicazione Dimeri di pirimidina Grandi addotti sulle basi Rotture a doppio filamento DNA glicosilasi MutS,MutL, e MutH in E. coli MutS, MutL e EXO1 negli esseri umani UvrA, UvrB, UvrC e UvrD in E. coli XPA, XPB, XPC, XPD, ERCC1/XPF e XPG negli esseri umani RecA e REcBCD in E. coli Complesso MRN, Rad51, BRCA1, BRCA2, XRCC3, ecc. negli esseri umani per la ricombinazione omologa Proteine Ku, Artemis/DNA- PKCS, XRCC4 negli esseri umani per l unione non omologa delle estremità

21 Modello della sintesi translesione del DNA

22 Riparazione del DNA mediante fotoriattivazione

23 RIPARAZIONE DEL DNA MEDIANTE RIMOZIONE DEI GRUPPI METILICI

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25 Via di riparazione per escissione delle basi nelle cellule dei mammiferi

26 RIPARAZIONE DELLE BASI MALE APPAIATE

27 Riparazione delle basi male appaiate La riparazione delle basi male appiate dipende da numerosi fattori presenti nelle cellule umane, fra cui MutS (eterodimero) o MutS, MutL (eterodimero), esonucleasi EXO1, DNA pol., PCNA, caricatore della pinza (RFC), proteina che lega il singolo filamento (RPA), e proteina cromosomica non istonica HMGB1. Il complesso MutS - MutL sul DNA con appaiamento sbagliato scatena l attivazione del macchinario di riparazione.

28 Via di riparazione delle basi male appaiate nelle cellule dei mammiferi

29 CANCRO COLON-RETTALE EREDITARIO NON ASSOCIATO A POLIPOSI L 80% dei cancri del colon è sporadico, mentre un 20% ha una suscettibilità ereditaria alla malattia. Il cancro colon-rettale non associato a poliposi (HPNCC) è la forma ereditaria più comune di cancro colonrettale. E una condizione autosomica dominante dovuta a mutazioni in uno dei diversi geni della riparazione delle basi male appaiate. Le mutazioni nei geni MutS o MutL assommano a più del 90% delle mutazioni nelle famiglie con HPNCC.

30 Progressione verso l HPNCC: 1. Mutazione germinale in un allele dei geni di riparazione delle basi male appaiate. 2. Perdita somatica dell allele normale. 3. Difetto del meccanismo di riparazione delle basi male appaiate. 4. Accumulo di errori durante la replicazione del DNA. 5. Instabilità dei microsatelliti.

31 Via di riparazione per escissione dei nucleotidi nei mammiferi (endonucleasi)

32 RIPARAZIONE DELLE ROTTURE A DOPPIO FILAMENTO Questi meccanismi operano sia nei procarioti che negli eucarioti. Il meccanismo di unione non omologa è attivo durante tutto il ciclo cellulare. L unione omologa ripara le rotture a doppio filamento a livello delle forcelle di replicazione.

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34 UNIONE OMOLOGA RICOMBINAZIONE Proteine coinvolte: OMOLOGA Ser/Thr chinasi nucleare, ATM (trasduttore chiave) aumenta l attività di questa chin asi. ATM fosforila proteine coinvolte nella riparazione del DNA (BRCA1) e nel controllo del ciclo cellulare (p53; proteina che sopprime i tumori). Localizzazione nei siti di rottura di: ATM, proteina Rad52 il complesso Mre11-Rad52-Nbs1 (MRN) inizia la riparazione (Mre11: esonucleasi 3 5. Il DNA a singolo filamento sono riconosciuti da: Rad51. Altre proteine sono coinvoltenella ricombinazione omologa: Rad54, Rad55, Rad57, BRCA1 e BRCA2.

35 STRUTTURA DELLA GIUNZIONE DI HOLLIDAY

36 eterodimero nucleasi