Il DNA "spazzatura" e il suo ruolo nel cancro

Esiste una parte del DNA umano di cui non si conosce ancora bene il ruolo, ecco perché ad essa è stato attribuito il nome di DNA “spazzatura” (Junk DNA). Solo di recente uno studio ha mostrato che il DNA “spazzatura”, non è così inerte come si pensa, al contrario sembrerebbe contribuire all’accumulo di mutazioni che possono essere alla base dello sviluppo del cancro.

Cos’è il DNA “spazzatura”?

Nei batteri, le regioni del genoma codificanti per proteine, in genere occupano l’88%. Il restante 12% è costituito in gran parte da geni non codificanti e sequenze regolatorie. Negli eucarioti, invece la situazione è diversa. La quantità di DNA codificante è solitamente una frazione molto più piccola del totale: il genoma umano, per esempio, contiene 3,2 miliardi di paia di basi di cui solo tra l’1% e il 2% rappresentano DNA codificante. Il restante 98-99% è costituito dal cosiddetto “DNA non codificante” (ncDNA).

Parte del DNA non codificante viene trascritto in molecole di RNA funzionali (ad es. RNA transfer, microRNA, piRNA, RNA ribosomiale e RNA regolatori). Altre regioni funzionali della frazione di DNA non codificante includono sequenze regolatorie che controllano l’espressione di alcuni geni, siti di legame per proteine o enzimi, origini della replicazione del DNA ed elementi cromosomici strutturali (centromeri e telomeri). Alcune regioni invece sembrano essere apparentemente non funzionali come introni, pseudogeni, sequenze ripetitive e frammenti di trasposoni e virus. Queste regioni occupano la maggior parte del genoma di molti eucarioti e sono state soprannominate DNA “spazzatura” (junk DNA).

Questo termine diventato popolare negli anni 60, inizialmente si riferiva a tutto il DNA non codificante. Oggi invece si riferisce ad una porzione del DNA non codificante che non ha una definita funzione nello sviluppo, nella fisiologia o in qualche altra capacità a livello dell’organismo.

Stallo della replicazione del DNA

Così come per il DNA codificante, anche il DNA “spazzatura” è sottoposto al processo di replicazione. Un’accurata replicazione del DNA cromosomico, compresa quella del Junk DNA, è essenziale per mantenere la stabilità genomica.

In condizioni normali, la sintesi del leading strand (filamento guida) è accoppiata allo svolgimento del DNA a doppio filamento (dsDNA) in DNA a singolo filamento (ssDNA). In tali condizioni la sintesi raggiunge la velocità massima. Tuttavia, l’attività di sintesi della polimerasi può andare in stallo, e dunque bloccarsi, a causa di una serie di fattori, tra cui danni al DNA, proteine legate al DNA, collisioni con il macchinario trascrizionale, ibridi RNA-DNA (R-loops), fattori di stress e dNTPs (deossinucleotidi trifosfato) limitanti.

Figura 1 - Meccanismo di replicazione del DNA — *Figura 1 – Meccanismo di replicazione del DNA [Fonte: https://it.wikipedia.org/wiki/DNA#/media/File:DNA_replication_it.svg]*

Nonostante il blocco, però l’elicasi può continuare comunque a svolgere il dsDNA ad una velocità ridotta. Questa situazione è chiamata disaccoppiamento elicasi-polimerasi ed è in grado di attivare una serie di meccanismi di riparazione simili a quelli indotti dalla rottura del filamento. Tutto ciò può causare un’instabilità genetica che rende più suscettibili all’accumulo di mutazioni.

Oltre ai fattori esogeni descritti prima, alcune sequenze del DNA stesso possono causare lo stallo. Queste sequenze non necessariamente devono essere localizzate nella porzione del DNA codificante, ma anche in quello non codificante e più in particolare nel DNA “spazzatura” stesso.

Quali sequenze possono influenzare la replicazione?

Fino ad oggi, la maggior parte delle evidenze su come il DNA influisca sulla sua stessa replicazione deriva da studi di sequenze altamente ripetitive. Si tratta di una classe di sequenze di DNA in cui due o più nucleotidi risultano ripetuti uno accanto all’altro. Una delle caratteristiche di queste ripetizioni è che possono espandersi da una generazione all’altra, aumentando la probabilità che si possa interrompere la funzione di un gene, causando una serie di patologie.

Il meccanismo più noto in grado di causare l’espansione delle sequenze ripetitive è il cosiddetto “replication slippage” (slittamento replicativo). Quando nel DNA ci sono zone con lunghe ripetizioni, la polimerasi incontra più volte la stessa sequenza. Ciò può mandare in confusione la polimerasi: il filamento slitta e rinizia la sintesi di una sequenza già replicata.

Un’altra caratteristica di queste sequenze è che, una volta che il DNA è stato separato in DNA a singolo filamento, queste hanno una propensione a ripiegarsi in strutture secondarie “insolite”. Alcuni esempi sono:

hairpins: strutture a doppio filamento che si formano per il classico appaiamento di tipo Watson e Crick tra le basi di due sequenze complementari adiacenti e disposte inversamente tra loro.
G-quadruplex: strutture a quattro filamenti di DNA che si formano attraverso dei legami idrogeno tra sequenze ricche in guanina.

Figura 2 - Struttura G-quadruplex — *Figura 2 – Struttura G-quadruplex* *[Fonte: https://it.wikipedia.org/wiki/G-quadruplex#/media/File:G-quadruplex.gif]*

i-motifs: strutture di DNA a quattro filamenti ricche di citosina, simili alle G-quadruplex.

triplex: strutture di DNA a tripla elica. La doppia elica si forma tramite l’accoppiamento di basi Watson-Crick, mentre il terzo filamento si appaia alla doppia elica.

Queste strutture creano un ingombro che potrebbe interferire con il complesso di proteine coinvolte nella replicazione (replisoma), rallentandola o addirittura bloccandola.

Il DNA “spazzatura” può causare il blocco della replicazione

Un recente studio condotto presso il Genome Replication lab dell’Institute of Cancer Research di Londra, pubblicato su Nature Communications ha mostrato che i modelli ripetitivi del DNA, abbondantemente presenti nel DNA “spazzatura” sono in grado di bloccare la replicazione, aumentando il rischio di errori che possono essere una delle prime cause del cancro.

In questo studio, gli scienziati hanno ricostruito ciò che accade al replisoma quando incontra delle sequenze ripetitive di DNA. In particolare, hanno ricostituito l’intero processo di replicazione del DNA in vitro utilizzando un replisoma isolato e purificato dalle proteine del lievito. Il gruppo di ricerca ha condotto tutti gli esperimenti in assenza di altre componenti proteiche in grado di bloccare il processo replicativo, in modo tale da renderlo dipendente dalla sola sequenza di DNA.

Dopo aver testato un’ampia gamma di mono, di e trinucleotidi ripetitivi hanno osservato che queste sequenze erano in grado di indurre lo stallo della replicazione. Questa capacità era maggiormente correlata al tipo di strutture secondarie del DNA che si venivano a formare. In particolare è stato visto che la la polimerasi era intrinsecamente capace di continuare la sintesi nonostante la formazione delle strutture a doppia elica (hairpins). Al contrario, la formazione delle strutture a quadrupla elica (G-quadruplex ed i-motifs) induceva il blocco della polimerasi, con il conseguente disaccoppiamento elicasi-polimerasi ed era risolto solo dagli stessi meccanismi riparativi indotti dalle lesioni del DNA.

Conclusioni

Questo studio ha mostrato che le sequenze ripetitive abbondantemente presenti nel DNA “spazzatura” sono in grado di rallentare o bloccare la replicazione del DNA, innescando i meccanismi di riparo e dunque contribuendo all’instabilità genetica. Ciò potrebbe causare lo sviluppo di mutazioni alla base dell’insorgenza del cancro. Per la prima volta, quindi è stato studiato uno degli aspetti ancora poco esplorati del DNA “spazzatura”, suggerendo che questo potrebbe svolgere un ruolo importante e potenzialmente dannoso nelle cellule.

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