Uracile nel DNA: errore o segnale?

Timina contro uracile

Le nostre informazioni genetiche sono memorizzate sotto forma di DNA, usando un alfabeto di quattro lettere. Le quattro “lettere” corrispondono alle quattro basi chimiche che ogni blocco di DNA – chiamato nucleotide – può avere: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G; vedi Figura 1)., Come James Watson e Francis Crick hanno notoriamente scoperto, il DNA forma una doppia elica in cui le quattro basi si accoppiano sempre allo stesso modo, attraverso specifici legami idrogeno: l’adenina si lega alla timina e la guanina alla citosina (vedi Figure 2 e 3).

Esiste però una quinta lettera alternativa: uracile (U), che forma lo stesso schema di legami idrogeno con l’adenina (vedi Figura 4)., Ma sebbene l’uracile sia comunemente usato nell’RNA, questo non è il caso del DNA, dove invece viene usata la timina. Perché questo potrebbe essere?

Chimicamente, la timina è una molecola di uracile con un gruppo metilico aggiuntivo collegato. Quale sarebbe il vantaggio, in termini evolutivi, di utilizzare questo blocco più complesso nel DNA? La risposta potrebbe risiedere nel modo in cui le cellule correggono il danno al DNA.,

La citosina può trasformarsi spontaneamente in uracile, attraverso un processo chiamato deaminazione idrolitica (vedi Figura 4). Quando ciò accade, la guanina che inizialmente era legata a quella molecola di citosina viene lasciata invece opposta all’uracile (ricorda che l’uracile normalmente si lega all’adenina)., Quando la cellula replica successivamente il suo DNA, la posizione opposta a questa molecola di uracile sarebbe occupata da un’adenina invece della guanina che dovrebbe essere lì, alterando il messaggio che questa sezione di DNA codifica (vedi Figura 5). Questo processo di deaminazione della citosina è uno dei tipi più comuni di danno al DNA, ma normalmente viene corretto efficacemente. Come fa la cella a farlo?

Le cellule hanno un sistema di riparazione in grado di rilevare quando un uracile è seduto dove dovrebbe essere una citosina e correggere l’errore prima che venga replicato e trasmesso. Il complesso meccanismo per farlo è costituito da diversi enzimi: prima le glicosilasi uracile-DNA riconoscono l’uracile e lo tagliano fuori dal DNA. Quindi diversi enzimi contribuiscono all’eliminazione e alla ri-sintesi della parte danneggiata del DNA, durante la quale il sito abasico (‘vuoto’) nel DNA viene sostituito con una citosina (vedi Figura 6).,

Tuttavia, la forma più comune di uracile-DNA glicosilasi non può dire a quale base l’uracile è accoppiato, cioè se l’uracile era destinato ad essere lì (se legato con adenina) o se è una citosina mutata (ed è opposta alla guanina); invece, riconoscerebbe e taglierebbe entrambi i tipi di uracile. Chiaramente, questo causerebbe problemi. Si pensa che la soluzione a questo potenziale problema sia stata l’evoluzione di un meccanismo in cui gli uracili “corretti” (associati all’adenina) sono stati etichettati con un gruppo metilico, con conseguente timina., In questo modo, se il macchinario cellulare ha trovato un uracile, lo ha tagliato e riparato, ma se ha trovato un uracile con un’etichetta metilica – una timina (vedi Figura 4) – lo ha lasciato. Nel tempo, quindi, la timina nel DNA è diventata lo standard invece dell’uracile e la maggior parte delle cellule ora usa l’uracile solo nell’RNA.

Perché l’uracile è stato trattenuto nell’RNA? L’RNA è più di breve durata del DNA e – con poche eccezioni-non è il deposito per la conservazione a lungo termine delle informazioni genetiche, quindi le molecole di citosina che si trasformano spontaneamente in uracili nell’RNA non rappresentano una grande minaccia per la cellula., Quindi, probabilmente non c’era alcuna pressione evolutiva per sostituire l’uracile con la timina più complessa (e presumibilmente più costosa) nell’RNA.

mancanza di Timina morte cellulare

Quando il DNA viene sintetizzato, gli enzimi della DNA polimerasi (che catalizzano la sintesi) non possono discriminare tra timina e uracile. Controllano solo se i legami idrogeno si formano correttamente, cioè se le coppie di basi sono abbinate correttamente., A questi enzimi, non importa se la timina o l’uracile si legano all’adenina. Normalmente, le quantità di desossiuridina trifosfato (dUTP, una fonte di uracile) nella cellula sono mantenute molto basse rispetto ai livelli di desossitimidina trifosfato (dTTP, una fonte di timina), impedendo l’incorporazione di uracile durante la sintesi del DNA.

Se questa rigorosa regolazione viene perturbata e il rapporto tra dUTP e dTTP aumenta, aumenta anche la quantità di uracile che viene erroneamente incorporata nel DNA., Il sistema di riparazione – che, a differenza delle DNA polimerasi, può distinguere l’uracile dalla timina – tenta quindi di tagliare l’uracile con l’aiuto della glicosilasi uracile-DNA e di ri-sintetizzare il DNA, che comporta temporaneamente la scissione (taglio) della spina dorsale del DNA. Tuttavia, se il rapporto tra dUTP e dTTP è ancora elevato, questa ri-sintesi può nuovamente incorporare uracile invece di timina. Questo ciclo alla fine porta alla rottura del filamento di DNA e alla frammentazione del cromosoma, quando questi tagli temporanei nel DNA avvengono uno dopo l’altro e troppo vicini l’uno all’altro (vedi Figura 7)., Ciò si traduce in un tipo specifico di morte cellulare programmata, chiamata morte cellulare senza timina.

Il processo di morte cellulare senza timina può essere deliberatamente sfruttato nel trattamento del cancro. Poiché le cellule tumorali proliferano ad un tasso così elevato rispetto alle cellule normali, sintetizzano una maggiore quantità di DNA per un dato periodo di tempo e quindi richiedono grandi quantità di dUTP. Aumentando il rapporto tra dUTP e dTTP, queste cellule tumorali possono essere selettivamente mirate ed eliminate.,

Uracil DNA esiste ancora

Sebbene la maggior parte delle cellule usi l’uracile per l’RNA e la timina per il DNA, ci sono delle eccezioni. Alcuni organismi hanno uracile invece di timina in tutto il loro DNA, e altri organismi hanno uracile solo in parte del loro DNA. Quale potrebbe essere il vantaggio evolutivo di questo? Diamo un’occhiata ad alcuni esempi.,

Uracile nel DNA virale

Due specie di batteriofagi (virus che infettano i batteri) sono noti per avere i genomi del DNA con solo l’uracile e senza timina. Non sappiamo ancora se questi fagi siano rappresentanti di un’antica forma di vita che non ha mai evoluto il DNA della timina, o se i loro genomi sostituiti da uracile siano una strategia appena evoluta., Né sappiamo perché questi fagi usano uracile invece di timina, ma può svolgere un ruolo essenziale nel ciclo di vita di questi virus. Se questo è il caso, avrebbe senso per i virus per garantire che l’uracile nel loro DNA non viene sostituito con timina. E uno di questi fagi ha infatti dimostrato di avere un gene che codifica una proteina specifica per inibire la glicosilasi uracile-DNA dell’ospite, impedendo così al genoma virale di avere il suo uracile ‘riparato’ dagli enzimi dell’ospite.,

la morte Programmata delle cellule degli insetti cicli di vita

Uracil-DNA, inoltre, sembra giocare un ruolo nello sviluppo di endopterygotes – insetti che sono sottoposti impupamento durante il loro ciclo di vita (formiche e farfalle; le cavallette e le termiti non)., Questi insetti non hanno il gene principale per l’uracile-DNA glicosilasi, che altrimenti rimuoverebbe l’uracile dal loro DNA.

Inoltre, la nostra ricerca ha dimostrato che, nelle larve della mosca della frutta Drosophila melanogaster, il rapporto tra dUTP e dTTP è regolato in modo insolito: in tutti i tessuti che non saranno necessari nell’insetto adulto, ci sono livelli molto più bassi dell’enzima che scompone dUTP e genera un precursore per la produzione di dTTP. Di conseguenza, quantità significative di uracile sono incorporate in questi tessuti durante la sintesi del DNA.,

Quindi durante gli stadi larvali, uracil-DNA viene prodotto e sembra non essere corretto nei tessuti che devono essere degradati durante lo stadio pupale. Poiché questi insetti mancano del principale enzima uracil-DNA glicosilasi, allo stadio pupale, ulteriori fattori specifici uracil-DNA possono riconoscere questo uracile accumulato come segnale per avviare la morte cellulare. Abbiamo già identificato una proteina insetto-specifica che sembra essere in grado di degradare uracile-DNA, e stiamo studiando se questo enzima viene utilizzato per avviare la morte cellulare programmata.,

Benefici errori: i vertebrati sistema immunitario

l’Uracile nel DNA, tuttavia, può anche essere trovato vicino a casa – nel sistema immunitario dei vertebrati come noi., Parte del nostro sistema immunitario, il sistema immunitario adattativo, produce un gran numero di anticorpi diversi che vengono addestrati per proteggerci da specifici agenti patogeni. Per aumentare il numero di anticorpi diversi che possono essere creati, mescoliamo la sequenza di DNA nelle regioni che codificano per loro, non solo ricombinando le sequenze esistenti nelle cellule, ma anche creandone di nuove attraverso tassi di mutazione notevolmente aumentati, noti come ipermutazione.,

L’ipermutazione inizia con un enzima specifico (una deaminasi indotta dall’attivazione) che trasforma la citosina in uracile (vedi Figura 4) in loci specifici del DNA, suscitando una risposta di riparazione soggetta a errori, che l’organismo utilizza a suo vantaggio: gli “errori” generano nuove sequenze che possono essere utilizzate per produrre anticorpi diversi. Questo sistema è molto strettamente regolamentato, tuttavia, come se sfuggisse di mano, porterebbe al cancro.

Quando si considera la domanda sul perché uracile o perché timina, dobbiamo considerare il contesto evolutivo., Gli organismi viventi si sono evoluti in un ambiente in continuo cambiamento, affrontando una serie dinamica di sfide. Pertanto, una soluzione che evita gli errori incorporati nel DNA è vantaggiosa per la maggior parte degli organismi e la maggior parte delle cellule, il che spiega perché la timina-DNA è diventata la norma. In determinate circostanze, tuttavia, gli stessi “errori” possono essere utili, motivo per cui alcune cellule usano ancora l’uracile nel loro DNA.