Cohesin promotes genomic stability by suppressing unequal sister chromatid exchange

All'interno di ogni cellula vivente, il progetto genetico è conservato su strutture lunghe e simili a fili chiamate cromosomi. Quando una cellula si prepara a dividersi, crea una copia esatta di ogni cromosoma, dando origine a due filamenti identici noti come cromatidi fratelli. Per garantire che queste copie siano distribuite correttamente alle nuove cellule figlie, la cellula utilizza una macchina molecolare chiamata coesina. Pensate alla coesina come a una serie di piccoli anelli flessibili che circondano i cromatidi fratelli, tenendoli uniti dal momento in cui vengono creati fino a quando la cellula è pronta a separarli. Questo legame è vitale per prevenire errori che possono portare le cellule ad avere il numero errato di cromosomi, una condizione collegata a molte malattie. Tuttavia, il compito della coesina va oltre il semplice atto di tenere uniti i filamenti; essa agisce anche come un guardiano del codice genetico, assicurando che, quando la cellula ripara un danno, utilizzi il modello corretto e non rimescoli accidentalmente il DNA.

Gli scienziati sanno da tempo che la coesina aiuta le cellule a scegliere il giusto modello di riparazione, ma un nuovo studio condotto dai ricercatori dell'Università della California, Berkeley, e della Scuole di Medicina dell'Università del Massachusetts, rivela un ruolo più sottile e critico. Il team ha investigato come la coesina prevenga un tipo specifico di errore genetico chiamato scambio ineguale tra cromatidi fratelli. Questo errore si verifica quando sequenze ripetitive di DNA, sparse in tutto il genoma, si scambiano erroneamente di posto tra loro durante la riparazione. Se lo scambio avviene tra ripetizioni vicine tra loro, il danno è solitamente minore. Ma se le ripetizioni sono lontane, lo scambio può causare massicce delezioni o duplicazioni di materiale genetico, potenzialmente distruggendo geni o creando mutazioni dannose. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di capire come la coesina impedisca a queste ripetizioni distanti di trovarsi e scambiarsi di posto.

Per osservare questo processo, il team ha ingegnerizzato cellule di lievito, un organismo semplice spesso utilizzato per studiare la biologia fondamentale, con una specifica trappola genetica. Hanno inserito due pezzi interrotti di un gene che conferisce resistenza a un antibiotico nello stesso braccio cromosomico. Un pezzo è stato posizionato vicino all'altro, a soli 4.000 paia di basi di distanza, mentre in altre cellule, il secondo pezzo è stato posizionato molto più lontano, a 68.000 paia di basi di distanza. Se il macchinario di riparazione della cellula avesse usato erroneamente il pezzo distante per riparare il gene interrotto, avrebbe creato un gene funzionale di resistenza agli antibiotici, permettendo alla cellula di sopravvivere su una piastra contenente il farmaco. Contando quante cellule sopravvivevano, i ricercatori potevano misurare quanto spesso questi scambi ineguali avvenivano tra le ripetizioni vicine rispetto a quelle distanti.

Nelle cellule di lievito normali e sane, i ricercatori hanno scoperto che le ripetizioni vicine si scambiavano di posto circa quindici volte più spesso delle ripetizioni distanti. Ciò suggeriva che qualcosa nella cellula rendesse naturalmente difficile l'interazione tra sequenze di DNA lontane. Il team ha poi testato cosa accadeva quando interrompeva la funzione della coesina. Hanno utilizzato varie mutazioni che indebolivano la capacità della proteina di tenere uniti i cromatidi fratelli o alteravano il modo in cui veniva caricata sul DNA. In queste cellule mutanti, il tasso di scambio tra le ripetizioni distanti è aumentato drasticamente, con un incremento di quattro o sette volte rispetto alle cellule normali. Sorprendentemente, il tasso di scambio tra le ripetizioni vicine rimaneva invariato. Ciò indicava che la coesina non impedisce tutti gli scambi di DNA; piuttosto, agisce specificamente come una barriera che impedisce alle sequenze distanti di interagire, lasciando le sequenze vicine libere di interagire normalmente.

I ricercatori hanno poi guardato più a fondo nella struttura fisica dei cromosomi per capire perché esistesse questa barriera. Utilizzando tecniche di imaging avanzate, hanno osservato che nelle cellule normali i cromatidi fratelli sono tenuti così strettamente insieme lungo la loro lunghezza da muoversi come un'unica unità. Gli anelli di coesina sono spaziati lungo i bracci cromosomici, creando una densa rete di legami. Questa alta densità di legami restringe il movimento del DNA, mantenendo le sezioni distanti confinate nei loro quartieri locali. Quando i ricercatori hanno indebolito la coesina, la spaziatura tra questi legami è aumentata e i cromatidi fratelli sono diventati più mobili. I filamenti di DNA potevano ora vagare più lontano, permettendo alle ripetizioni distanti di scivolare nello stesso spazio e scambiarsi di posto. Lo studio ha mostrato una correlazione diretta: più la funzione della coesina era compromessa, più i cromatidi fratelli si separavano e più alto era il tasso di errori genetici distanti.

La scoperta più sorprendente è arrivata quando il team ha esaminato le mutazioni che influenzano le proteine che lavorano insieme alla coesina nella forca di replicazione, il sito in cui il DNA viene copiato. Due di queste mutazioni, che interrompevano le proteine Ctf4 e Ctf18, hanno causato un aumento catastrofico degli scambi distanti. In questi specifici mutanti, il tasso di scambio distante non era solo più alto, ma era cento volte superiore rispetto alle cellule normali. Ancora più sorprendente, le ripetizioni distanti sono diventate più propense a scambiarsi rispetto a quelle vicine, un ribaltamento del normale schema. I ricercatori hanno scoperto che queste mutazioni non si limitavano a indebolire la tenuta della coesina; sembravano disaccoppiare il processo di copia del DNA dal processo di tenuta dei fratelli uniti. Questo disaccoppiamento creava una struttura strana e aberrante in cui i cromatidi fratelli erano disallineati in modo tale da portare le ripetizioni distanti in stretta prossimità, rendendole bersagli ideali per l'errore.

Lo studio conclude che la coesina mantiene la stabilità genomica non solo trattenendo i cromosomi uniti per la divisione, ma organizzando la struttura interna dei cromatidi fratelli per limitare quanto il loro DNA possa muoversi. Mantenendo i filamenti strettamente legati a intervalli frequenti, la coesina assicura che, quando si verifica un danno al DNA, il macchinario di riparazione sia confinato nel vicinato immediato, trovando la sequenza corrispondente corretta proprio accanto alla rottura. Quando questo sistema di legame è compromesso, i filamenti di DNA diventano troppo mobili, permettendo alle sequenze ripetitive distanti di collidere e scambiarsi materiale genetico, portando a delezioni e duplicazioni su larga scala. Questo lavoro suggerisce che il preciso accoppiamento tra la replicazione del DNA e il caricamento della coesina sia essenziale per prevenire questi errori strutturali, offrendo una nuova spiegazione su come le cellule preservino l'integrità del loro codice genetico contro il caos del DNA ripetitivo.