Studiul Weizmann dezvăluie modul în care enzimele de reparare a ADN-ului aleg țintele
Când o rană nu se vindecă corespunzător, rămâne o cicatrice. În mod similar, mutațiile – care reprezintă modificări permanente ale codului genetic – sunt adesea rezultatul unui ADN deteriorat care nu a fost reparat corect.
Mutațiile pot afecta funcția genelor și pot conduce la boli și la îmbătrânire, dar sunt și sursa diversității genetice, care permite apariția de noi trăsături și facilitează procesul evolutiv. Cercetătorii nu înțeleg pe deplin de ce anumite segmente de ADN deteriorat sunt reparate cu succes, în timp ce altele nu. Într-un nou studiu publicat în Nature Communications, cercetătorii de la Institutul Weizmann de Știință au reușit să identifice care secvențe și structuri de ADN sunt țintele preferate ale mai multor enzime importante de reparare a ADN-ului. Descoperirile laboratorului condus de Dr. Ariel Afek sugerează că aceste preferințe au modelat genomul uman și ar putea chiar explica modul în care celulele devin canceroase.
În fiecare zi, mii de reacții chimice au loc în fiecare celulă vie, deteriorând genomul. „Când sistemele de reparare a ADN-ului funcționează corect, repară cea mai mare parte a daunelor, dar nu toate”, explică Afek. „Prin urmare, rata la care se acumulează mutațiile este un echilibru între rata de daune și rata de reparare. Acest echilibru variază în diferite zone ale genomului, iar noi încă nu înțelegem de ce anumite mutații reușesc să se acumuleze în regiuni specifice. Cele mai multe studii de până acum s-au concentrat pe modificările care lasă o „cicatrice” – o mutație. Dar pentru a înțelege pe deplin aceste schimbări, trebuie să luăm în considerare și „rănile” genetice în sine, inclusiv cele care sunt reparate fără a lăsa urme.”
În acest nou studiu, echipa lui Afek a încercat să caracterizeze unde în genom enzimele de reparare au succes și unde sunt mai puțin eficiente. Pentru a face acest lucru, au dezvoltat un cip cu mii de molecule scurte de ADN atașate, toate având aceeași daună genetică, dar secvențe de înconjurare diferite.
„Am descoperit că, asemenea unui editor bun care examinează fiecare cuvânt în contextul său, cele trei enzime de reparare pe care le-am testat sunt sensibile la combinația exactă de litere genetice sau baze din jurul locului de eroare”, afirmă Noga Levy, studentă doctorandă în laboratorul lui Afek, care a condus studiul. „Chiar și bazele situate la cinci poziții înainte sau după pe scară afectează cât de probabil este ca enzimele de reparare să recunoască locul de daune și să se lege de acesta. Când am analizat secvențele preferate, am constatat că acestea împărtășesc caracteristici structurale comune. De exemplu, una dintre enzime prefera secvențe care creează o regiune excepțional de îngustă în scara helicală.”
Pentru a înțelege de ce acea enzimă preferă o structură specifică, oamenii de știință de la Weizmann au colaborat cu o echipă de cercetare condusă de prof. Brian P. Weiser de la Universitatea Rowan din New Jersey pentru a desfășura o simulare pe computer. Au descoperit că unul dintre aminoacizii enzimei scanează zona din jurul locului de daune și este atras de sarcina electrică negativă care caracterizează regiunile înguste ale scării.
Ulterior, au testat dacă preferințele enzimelor de reparare au avut un impact asupra modului în care mutațiile s-au acumulat în genom de-a lungul evoluției. O moleculă de ADN arată ca o scară spiralată, în care fiecare treaptă este formată dintr-o pereche de baze. În condiții normale, există o corespondență între perechile de baze: baza A se împerechează întotdeauna cu T, iar C cu G. Una dintre cele mai comune forme de daune genetice apare atunci când o bază C este înlocuită cu o bază diferită, perturbând această împerechere. Mai multe dintre cele mai importante enzime de reparare a ADN-ului sunt responsabile pentru identificarea și eliminarea bazei incorecte. Oamenii de știință au ipotezat că regiunile în care enzimele de reparare funcționează eficient ar păstra mai multe baze C, în timp ce modificările nereparate s-ar acumula în alte regiuni. Și, într-adevăr, au găsit o corelație exactă în acest sens pentru una dintre enzimele de reparare.
„Această descoperire deschide calea pentru o mai bună înțelegere a evoluției umane”, explică Afek. „Pentru a identifica care modificări genice au fost adoptate de oameni pentru a supraviețui într-un mediu în schimbare, trebuie mai întâi să înțelegem care schimbări se acumulează natural din cauza preferințelor mecanismelor de reparare.”
Mutațiile nu sunt doar o forță care generează schimbări evolutive semnificative de-a lungul miliardelor de ani, ci și modificări care au loc în corpul unei singure persoane de-a lungul anilor. Tumorile canceroase, de exemplu, provin dintr-o singură celulă din corp, ale cărei mutații acumulate o fac să se înmulțească necontrolat.
Am găsit o corelație între preferințele enzimelor de reparare și semnăturile mutațiilor – tipare ale mutațiilor – în tumorile umane. O posibilitate este că un proces în corpul pacienților cu cancer a deteriorat enzimele de reparare, permițând mutațiilor să se acumuleze în zone care anterior erau protejate. Alternativ, de-a lungul evoluției, enzimele de reparare ar fi putut să se adapteze pentru a ținti regiuni care sunt în mod inerent mai vulnerabile. Oricum, acest lucru întărește înțelegerea noastră că mecanismele de reparare joacă un rol esențial în modul în care se dezvoltă cancerul.”
Acest studiu oferă o nouă modalitate fascinantă de a explora sistemul de reparare a ADN-ului din celule, iar un alt proiect din laboratorul lui Afek, condus de studentă absolventă Noga Carmon, a extins deja domeniul de aplicare la alte mecanisme de reparare. „Înțelegerea modului în care mecanismele de reparare „aleg” țintele lor deschide toate felurile de modalități de a le valorifica în beneficiul nostru”, afirmă Afek. „Folosim deja aceste enzime ca unelte în editarea genelor. O înțelegere mai profundă ne va permite să ajustăm aceste tehnologii și poate chiar să inginerizăm enzime care oferă o protecție genetică mai bună. Deoarece eșecurile în mecanismele de reparare sunt un motor principal al cancerului, speranța mea este că înțelegerea lor va deschide calea pentru noi terapii mai țintite.”
