Catenated DNA Enforces Sister Chromatid Cohesion

Ogni volta che una cellula umana si divide per creare due nuove cellule, deve compiere un'impresa di estrema precisione: deve dividere il suo materiale genetico, il DNA, in due metà perfettamente identiche. Questo processo, noto come mitosi, è il motore della crescita e della riparazione nel corpo. Se la macchina fallisce, le cellule risultanti potrebbero ricevere troppi o troppo pochi cromosomi, una condizione chiamata aneuploidia. Questo squilibrio è un segno distintivo del cancro e può portare a disturbi dello sviluppo. Per prevenire questo caos, la cellula si affida a una colla molecolare chiamata complesso della coesina. Questa proteina a forma di anello tiene insieme i due nuovi filamenti di DNA, chiamati cromatidi fratelli, strettamente fin dal momento in cui vengono creati fino all'ultimo istante della divisione. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che questa colla proteica fosse l'unica forza a tenere insieme i fratelli, e che nel momento in cui la cellula fosse stata pronta a dividersi, un enzima avrebbe semplicemente tagliato la colla, permettendo ai fratelli di essere separati dallo scheletro interno della cellula.

Tuttove, un nuovo studio condotto dai ricercatori dell'Università di Copenhagen sfida questa visione radicata da tempo. Hanno scoperto che la colla proteica non è sufficiente da sola a tenere insieme i fratelli contro le potenti forze di trazione della cellula. Invece, i due filamenti di DNA sono anche fisicamente aggrovigliati tra loro, come maglie di una catena. Questi grovigli, noti come catenani, agiscono come un secondo blocco fisico che lavora insieme alla colla proteica. I ricercatori hanno scoperto che anche se la colla proteica viene tagliata, i fratelli non si separano se questi grovigli di DNA rimangono intatti. È solo quando la macchina cellulare scioglie questi intrecci di DNA che i fratelli possono finalmente separarsi. Questa scoperta suggerisce che la cellula utilizzi un sistema a doppio blocco per garantire che il materiale genetico non venga mai diviso prematuramente, una scoperta che ridefinisce la nostra comprensione di come le cellule mantengano la loro stabilità genetica.

La storia di questa scoperta inizia con un enigma che aleggia sulla biologia cellulare da tempo. Quando gli scienziati osservano le cellule al microscopio appena prima di dividersi, vedono spesso i due cromatidi fratelli distesi molto vicini, quasi a contatto, in una configurazione che sembra un binario ferroviario. Nonostante la colla proteica che li tiene insieme sia stata tagliata in alcune condizioni sperimentali, i fratelli non si separano come previsto. Rimangono ostinatamente legati. Questa osservazione ha portato i ricercatori a ipotizzare che qualcos'altro dovesse tenerli uniti. Sospettavano che i filamenti di DNA stessi fossero intrecciati. Immaginate due lunghe corde flessibili che sono state attorcigliate molte volte l'una intorno all'altra; anche se tagliate il nastro che le tiene vicine, i giri stessi le manterranno connesse finché non le si distorce attivamente. Nella cellula, questi giri sono i catenani, e i ricercatori si sono posti l'obiettivo di dimostrare che sono essenziali per tenere uniti i fratelli.

Per testare questa idea, il team ha ingegnerizzato cellule umane per trasportare una versione speciale della proteina coesina. Questa versione conteneva un punto debole specifico che poteva essere tagliato da un enzima su misura chiamato proteasi TEV. I ricercatori hanno fatto crescere queste cellule e poi hanno introdotto l'enzima per tagliare la colla della coesina mentre le cellule erano bloccate a metà della divisione. Nelle cellule in cui i grovigli di DNA potevano essere risolti naturalmente, i fratelli si separavano immediatamente dopo il taglio della colla, confermando che l'enzima funzionava. Tuttavia, i ricercatori hanno poi adottato un approccio diverso. Hanno isolato i cromosomi da queste cellule e hanno tagliato la colla in una provetta, ma senza la naturale macchina cellulare per districare il DNA. Anche dopo che la colla era stata completamente distrutta, i cromatidi fratelli rimanevano bloccati insieme. Si separavano solo quando i ricercatori aggiungevano una forza meccanica, come una vigorosa agitazione, o quando aggiungevano un enzima capace di tagliare il DNA stesso. Questo esperimento ha fornito la prima prova diretta che la colla proteica da sola è insufficiente a tenere insieme i fratelli contro lo stress fisico; i grovigli di DNA stanno facendo il lavoro pesante.

I ricercatori hanno poi osservato più da vicino questi grovigli all'interno delle cellule viventi. Hanno identificato strutture che hanno chiamato collegamenti del centromero fratello, che sono le connessioni fisiche tra le due metà del cromosoma nel loro punto centrale. Utilizzando un'imaging ad alta risoluzione, hanno visto che questi collegamenti erano rivestiti da una proteina specifica chiamata PICH, nota per legarsi al DNA teso. Hanno anche scoperto che un enzima chiamato Topoisomerasi II, responsabile dello sbroglio del DNA, era presente in questi siti. Fondamentalmente, hanno osservato che questi collegamenti scomparivano solo quando lo scheletro interno della cellula, il fuso, tirava sui cromosomi con forza. Quando i ricercatori hanno bloccato l'attività dell'enzima districante usando un farmaco chiamato ICRF-193, i fratelli si rifiutavano di separarsi, anche dopo che la colla proteica era stata tagliata. Il farmaco bloccava essenzialmente i grovigli di DNA in posizione, impedendo alla cellula di dividersi. Al contrario, un farmaco diverso che rompe temporaneamente il DNA ma permette di ricollegarlo non ha impedito la separazione. Ciò ha dimostrato che l'integrità fisica dei grovigli di DNA, e non solo la presenza dell'enzima, era il fattore chiave.

Lo studio ha anche esplorato cosa accade quando la cellula è costretta ad attendere troppo a lungo nel mezzo della divisione. Normalmente, se una cellula rimane bloccata in questa fase, la colla proteica alla fine si esaurisce, un fenomeno noto come fatica della coesione, e i fratelli si separano prematuramente. I ricercatori hanno scoperto che, quando bloccavano l'enzima districante, le cellule potevano rimanere in questa fase di attesa molto più a lungo senza che i fratelli si separassero. I grovigli di DNA agivano come un sistema di backup, tenendo uniti i fratelli molto dopo che la colla proteica era venuta meno. Viceversa, quando hanno utilizzato un farmaco che indeboliva i grovigli di DNA, i fratelli si separavano molto più velocemente del solito. Ciò ha confermato che i grovigli non sono solo un sottoprodotto passivo della replicazione del DNA, ma un componente attivo e resistente alle forze del processo di divisione.

Forse l'evidenza più sorprendente è arrivata da un esperimento in cui i ricercatori hanno utilizzato uno strumento molecolare chiamato CRISPR per tagliare il DNA specificamente nei siti in cui questi grovigli si formano comunemente. Hanno preso di mira una specifica sequenza di DNA trovata al centro dei cromosomi. Quando hanno tagliato questo DNA in cellule in cui la colla proteica era già stata rimossa, i fratelli si separavano immediatamente, anche quando l'enzima districante era bloccato. Ciò ha dimostrato che la connessione fisica del DNA stesso era l'ultima barriera a tenere uniti i fratelli. Una volta che quella barriera veniva infranta, i fratelli non potevano più resistere alle forze di trazione della cellula.

Le implicazioni di questo lavoro sono significative per la nostra comprensione di come funzionano le cellule. Suggerisce che la cellula abbia evoluto un sistema di sicurezza ridondante a due parti per garantire che i cromosomi non si dividano troppo presto. La colla proteica fornisce un blocco chimico regolato che può essere spento al momento giusto, mentre i grovigli di DNA forniscono un blocco fisico che resiste alle immense forze generate durante la divisione. La cellula rilascia questo secondo blocco solo quando è pronta, usando la forza di trazione del fuso per guidare l'enzima districante a svolgere il proprio compito. Se questo sistema fallisce, il risultato può essere la distribuzione irregolare dei cromosomi, che è un motore primario del cancro. Rivelando che la catenazione del DNA è un attore critico e attivo in questo processo, i ricercatori hanno corretto un'ipotesi di lunga data nel campo. Hanno dimostrato che la separazione dei cromatidi fratelli non è meramente una questione di taglio di un anello proteico, ma un evento meccanico complesso in cui lo stato fisico del DNA stesso gioca un ruolo decisivo. Questo nuovo modello aiuta a spiegare perché alcune cellule non riescono a dividersi correttamente e offre una nuova prospettiva sulla meccanica fondamentale della vita.