Topoisomerase IIIα resolves inter- and intra-molecular intertwines during DNA replication
Questo studio dimostra che la Topoisomerasi IIIα risolve direttamente sia gli intrecci inter- che intramolecolari del DNA generati durante la terminazione della replicazione, in particolare sul DNA a singolo filamento del filamento ritardante, garantendo così l'integrità del genoma e la progressione della forca quando la Topoisomerasi IIα è compromessa.
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Ogni volta che una cellula si divide, deve fare una copia esatta delle sue istruzioni genetiche, una molecola massiccia chiamata DNA che è strettamente impacchettata in una struttura simile a un filo. Immaginate di cercare di districare due lunghe corde attorcigliate tra loro; mentre la cellula tira queste corde per separarle per copiarle, la tensione aumenta e le nuove copie possono rimanere sperperatamente annodate insieme. Se questi nodi non vengono rimossi, la cellula non può dividere il proprio materiale genetico equamente, portando a errori che possono causare malattie o morte cellulare. Per risolvere questo problema, le cellule impiegano macchine molecolari specializzate chiamate topoisomerasi. Questi enzimi agiscono come forbici e colla precise, effettuando tagli temporanei nei filamenti di DNA per permettere loro di passare l'uno attraverso l'altro, liberando così la tensione e sciogliendo i nodi. Per decenni, gli scienziati sapevano che un tipo specifico di queste macchine, chiamato topoisomerasi II, era il lavoratore principale responsabile di questo compito durante la divisione cellulare. Tuttavia, un secondo tipo, noto come topoisomerasi III, aveva un ruolo misterioso. Si sapeva che esisteva e poteva districare il DNA in una provetta, ma nessuno era certo di quando o come aiutasse effettivamente la cellula a copiare il proprio genoma in tempo reale, o di quale tipo specifico di nodo fosse progettata per risolvere.
Un team di ricercatori della Vanderbilt University e dei National Institutes of Health si è posto l'obiettivo di chiarire questo mistero osservando la replicazione del DNA in un ambiente controllato. Hanno utilizzato un estratto liquido derivato da uova di rana, uno strumento classico in biologia che contiene tutto il macchinario necessario affinché una cellula copi il proprio DNA, ma senza la distrazione di altri processi cellulari come la lettura dei geni o la gestione dei mitocondri. Aggiungendo o rimuovendo specifiche proteine da questa miscela, potevano osservare esattamente cosa accadeva quando il principale districatore, la topoisomerasi II, era assente o bloccato. I loro esperimenti hanno rivelato che, in condizioni normali, la topoisomerasi III non fa quasi nulla; la cellula si affida interamente alla topoisomerasi II per mantenere il processo in movimento. Tuttavia, quando i ricercatori hanno bloccato la topoisomerasi II, il processo si è arrestato e i filamenti di DNA sono rimasti annodati. In questa crisi, la topoisomerasi III è intervenuta per salvare la situazione, ma lo ha fatto in un modo completamente diverso da quanto ci si potesse aspettare.
I ricercatori hanno scoperto che la topoisomerosi III non lavora sui nodi di DNA a doppio filamento completamente formati che la topoisomerasi II gestisce di solito. Invece, essa prende di mira una parte molto specifica e fragile del processo di copia: i singoli filamenti di DNA che attendono di essere copiati sul lato "ritardante" (lagging) della macchina di replicazione. Mentre la cellula copia il DNA, un filamento viene costruito in modo fluido, mentre l'altro viene costruito in piccoli pezzi discontinui, lasciando dietro di sé spazi temporanei di DNA a singolo filamento. Lo studio ha dimostato che la topoisomerasi III cerca specificamente questi spazi. Quando il districatore primario fallisce, la topoisomerasi III utilizza questi spazi a singolo filamento per sciogliere i nodi tra le due nuove molecole di DNA, permettendo alle forche di replicazione di fondersi e completare il lavoro. Questa scoperta è stata sorprendente perché ha dimostrato che la topoisomerasi III non ha bisogno della solita squadra di proteine ausiliarie con cui viene spesso vista in altre parti della cellula per svolgere questo compito; può agire da sola, direttamente sui singoli filamenti, per risolvere lo stress topologico che altrimenti fermerebbe la divisione cellulare.
La storia ha preso una piega ancora più inaspettata quando i ricercatori hanno aumentato la quantità di questi spazi a singolo filamento inibendo parzialmente l'enzima che costruisce il filamento ritardante. In queste condizioni, i filamenti di DNA hanno iniziato a formare un nuovo tipo di nodo interamente all'interno di una singola molecola, piuttosto che tra due molecole separate. Questi grovigli interni, che non erano mai stati descritti chiaramente nel contesto della replicazione del DNA in precedenza, apparivano solo quando le regioni a singolo filamento erano abbondanti. I ricercatori hanno scoperto che la topoisomerasi III era essenziale per prevenire la formazione di questi nodi interni. Senza di essa, il DNA si aggrovigliava in un modo che la cellula non poteva facilmente riparare. Ciò suggerisce che la topoisomerasi III abbia un doppio ruolo: agisce come un districatore di riserva per i nodi principali tra i filamenti delle figlie quando il sistema primario fallisce, e funge anche da guardiano che impedisce al DNA di attorcigliarsi in pericolosi nodi interni.
Questo lavoro cambia la nostra comprensione di come le cellule gestiscano la complessa fisica della copia del loro codice genetico. Dimostra che, sebbene la topoisomerasi II sia il lavoratore pesante che libera la strada durante la divisione normale, la topoisomerasi III è una specialista specializzata che attende i problemi. Essa non lavora sul DNA a doppio filamento liscio che la topoisomerasi II gestisce abitualmente, ma piuttosto sugli spazi disordinati a singolo filamento che compaiono durante il processo di copia. Agendo su questi spazi, può sciogliere i nodi che legano i nuovi filamenti di DNA tra loro e può anche impedire al DNA di attorcigliarsi in nodi all'interno di se stesso. Lo studio conferma che questo sistema di riserva è indipendente dagli altri complessi proteici che solitamente guidano la topoisomerasi III, suggerendo che la cellula abbia evoluto un meccanismo distinto e diretto per garantire che le sue istruzioni genetiche siano copiate pulitamente, anche quando il macchinario primario si guasta. Questa intuizione è cruciale perché i difetti in questi enzimi sono collegati a malattie umane che comportano problemi di crescita e instabilità genomica, e comprendere esattamente come funzionano potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare modi migliori per trattare le condizioni in cui la replicazione del DNA va errata.
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