In che modo il DNA può subire danni?

Sapevi che il nostro DNA subisce continuamente danni nel corso della nostra vita?

Probabilmente sapete già che l'esposizione ai raggi X o alle radiazioni nucleari può provocare mutazioni nel nostro DNA, ma anche i normali processi cellulari possono danneggiarlo.

Quando le cellule si replicano, ad esempio, possono introdurre errori nel codice del DNA, come l'inserimento o l'eliminazione non necessari di basi nucleotidiche (le lettere A, C, G, T) oppure l'accoppiamento errato delle basi tra loro (fenomeno noto come "mismatch di base").

Come abbiamo visto in diversi tratti precedenti (come ad esempio il tratto "Stress ossidativo (SOD2)"), la respirazione cellulare, il processo attraverso il quale le cellule generano energia, può anche causare danni al DNA. Quando le cellule respirano, generano specie reattive dell'ossigeno (ROS) – sostanze nocive che possono ossidare e quindi danneggiare le basi nucleotidiche. Le ROS sono inoltre in grado di rompere uno dei filamenti della nostra molecola di DNA. Questo fenomeno è chiamato rottura a filamento singolo.

Fonte: Dexheimer T. (2013) Vie e meccanismi di riparazione del DNA. In: Mathews L., Cabarcas S., Hurt E. (a cura di) Riparazione del DNA nelle cellule staminali tumorali. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4590-2_2

Oltre ai normali processi cellulari che avvengono all’interno dell’organismo, anche le sostanze e le radiazioni presenti nell’ambiente esterno possono danneggiare il nostro DNA. Ad esempio, le radiazioni UV (ultraviolette) presenti nella luce solare possono causare legami anomali tra basi nucleotidiche adiacenti sullo stesso filamento di DNA. Questo fenomeno è noto come legame incrociato intrafilamento . In genere, la luce UV può creare un legame incrociato anomalo tra due basi di timina (T) (formando ciò che è noto come dimero di pirimidina).

Le radiazioni ultraviolette possono inoltre causare rotture in entrambi i filamenti del DNA, fenomeno noto come rottura a doppio filamento. Anche altre forme di radiazioni ionizzanti (ad esempio i raggi X) possono causare rotture a doppio filamento.

PUNTI CHIAVE

• Il DNA può subire danni sia a causa dei normali processi cellulari (ad esempio, la replicazione cellulare e la respirazione cellulare) sia a causa di fattori ambientali (ad esempio, l'esposizione alle radiazioni ionizzanti).
• La molecola di DNA può subire diversi tipi di danni, ad esempio rotture a singolo filamento, rotture a doppio filamento, inserzioni di basi, delezioni, disallineamenti ecc.

Come viene riparato il DNA danneggiato?

Si ritiene che ogni cellula del nostro corpo subisca ogni giorno tra le 1.000 e il milione di lesioni al DNA, causate sia dai normali processi cellulari che da fattori ambientali. Dato che il DNA codifica e regola le proteine coinvolte in numerosi processi essenziali, l’accumulo di danni al DNA, se non riparato, comprometterebbe il normale funzionamento delle cellule. Inoltre, man mano che le cellule si dividono e si replicano, tali errori nel codice del DNA verrebbero trasmessi alle nuove cellule.

Fortunatamente, abbiamo sviluppato una serie di meccanismi di riparazione in grado di individuare e riparare il DNA danneggiato. Questi meccanismi sono noti collettivamente come risposta al danno al DNA (DDR).

Fonte: Panneerselvam, J., Qu, D., Houchen, C., Bronze, M. e Chandrakesan, P. (2020). DCLK1 e la risposta al danno al DNA. In Genotossicità e mutagenicità: meccanismi e metodi di prova. IntechOpen.

Il tipo esatto di meccanismo di riparazione del DNA che viene attivato dipende dal tipo di danno subito. (I modi in cui i diversi enzimi rimuovono, riparano e ricompongono le regioni danneggiate del DNA sono ingegnosi, sebbene molto complessi. Pertanto, cercheremo di mantenere un approccio semplice e di trattare l'argomento solo in modo superficiale).

- Riparazione per escissione della base (BER)

Questo tipo di riparazione viene utilizzato quando piccole regioni del DNA sono danneggiate, ma la struttura complessiva della molecola a doppia elica del DNA non è significativamente alterata. Ad esempio, la riparazione per escissione di basi può essere utilizzata per riparare singole basi nucleotidiche danneggiate dalle specie reattive dell'ossigeno (ROS).

Come suggerisce il nome, questo meccanismo di riparazione prevede la rimozione o l’«escissione» della base danneggiata. Enzimi specializzati praticano un taglio su entrambi i lati della base danneggiata su un filamento di DNA. La base danneggiata viene quindi rimossa, lo spazio vuoto viene colmato con nuovo DNA, prima che il filamento di DNA venga ricucito.

Fonte: Edmonds, M. J., & Parsons, J. L. (2014). Regolazione delle proteine coinvolte nella riparazione per escissione di basi tramite ubiquitinazione. Experimental Cell Research, 329(1), 132-138.

Gli enzimi coinvolti nella ricomposizione del filamento di DNA nel processo di riparazione per escissione di basi vengono utilizzati anche per riparare le rotture a filamento singolo.

- Riparazione dei mismatch (MMR)

Il meccanismo di riparazione dei mismatch (MMR) serve a correggere gli errori che si verificano nella sequenza del DNA durante la replicazione cellulare. Come illustrato nella sezione precedente, durante la replicazione cellulare può accadere che alcune basi nucleotidiche vengano inserite per errore, eliminate o accoppiate in modo errato tra loro.

Durante il processo di riparazione dei mismatch, gli enzimi riconoscono le coppie di basi non corrispondenti e procedono a rimuovere le basi errate e quelle adiacenti. Successivamente, colmano il vuoto con le basi corrette.

- Riparazione per escissione di nucleotidi (NER)

La riparazione per escissione di nucleotidi (NER) viene utilizzata per riparare danni quali i legami incrociati intracatenari causati dalle radiazioni UV. Il processo consiste nel riconoscere le basi legate in modo anomalo, rimuoverle e quindi colmare il vuoto con DNA di nuova sintesi.

- Riparazione delle rotture a doppio filamento

Le rotture a doppio filamento (DSB), che comportano la rottura di entrambi i filamenti della molecola di DNA, possono causare la morte cellulare se non vengono riparate. Fortunatamente, nel corso dell'evoluzione abbiamo sviluppato due principali meccanismi per riparare le rotture a doppio filamento: la giunzione non omologa delle estremità (NHEJ) e la ricombinazione omologa ( HR).

L'NHEJ può essere paragonato all'incollaggio di due estremità spezzate. Immaginiamo di rompere una canna da pesca. Per ripararla, potremmo applicare della colla su entrambe le estremità spezzate e poi unirle nuovamente a forza. Questo è essenzialmente ciò che accade nell'NHEJ: una proteina chiamata Ku si lega a entrambe le estremità spezzate della molecola di DNA, dopodiché le estremità vengono ricollegate l'una all'altra. Allo stesso modo in cui potremmo levigare o limare le estremità rotte della bacchetta per garantire un accoppiamento perfetto prima di ricollegarle, le estremità rotte del filamento di DNA possono essere "pulite" prima del ricollegamento. Ciò può comportare, ad esempio, la rimozione di basi non necessarie, in modo che le due estremità rotte possano essere allineate correttamente.

Quando si verificano rotture del doppio filamento, alcuni nucleotidi vicini ai siti di rottura possono andare persi. Utilizzando l'analogia dell'asta spezzata, è come se si perdessero alcuni frammenti o schegge alle estremità spezzate. Se poi si incollassero le due estremità spezzate in modo approssimativo e sommario, potrebbero mancare alcuni pezzi dell'asta originale. Allo stesso modo, durante il processo di NHEJ, le basi nucleotidiche intorno al sito di rottura possono andare perse.

Fonte: Featherstone, C., & Jackson, S. P. (1999). Riparazione delle rotture a doppio filamento del DNA. Current Biology, 9(20), R759-R761.

La ricombinazione omologa (HR) è un po' più complessa rispetto alla NHEJ. Per continuare con l'analogia dell'asta spezzata, essa comporta la ricerca di un'asta identica e il suo utilizzo come modello per stampare in 3D un giunto tra le due estremità spezzate dell'asta originale.  

Dal punto di vista del DNA, la riparazione omologa (HR) consiste nel riparare una rottura a doppio filamento inserendo (o ricombinando) i filamenti di DNA rotti in un frammento di DNA identico (omologo), come ad esempio un cromosoma gemello. Il frammento di DNA identico viene quindi utilizzato come matrice per creare un ponte tra le estremità della molecola di DNA originariamente rotta.

Poiché l'HR comporta la sostituzione della rottura con un frammento di DNA identico, non comporta una perdita di informazioni genetiche (a differenza dell'NHEJ).  

Attivazione dei checkpoint e apoptosi

Affinché noi possiamo crescere e svilupparci, e affinché i nostri organi e tessuti funzionino correttamente, le cellule che li compongono devono crescere e dividersi. Le cellule attraversano una serie di fasi, note come ciclo cellulare, durante le quali aumentano di dimensioni, replicano il proprio DNA e infine si dividono in due nuove cellule. A quel punto iniziano un nuovo ciclo.

Il ciclo cellulare presenta una serie di punti di controllo in cui “decide” se passare alla fase successiva e iniziare la divisione. Questi punti di controllo sono particolarmente importanti in caso di danni al DNA. Se una cellula con danni significativi al DNA viene lasciata passare senza essere controllata e si divide, potrebbe trasmettere mutazioni dannose del DNA alle generazioni future di cellule, compromettendo, più in generale, il funzionamento dei tessuti e degli organi.

Pertanto, in risposta al danno al DNA, le cellule possono essere «bloccate» in un determinato punto di controllo e non essere autorizzate a dividersi e replicarsi. La cellula può anche essere eliminata attraverso un processo di morte cellulare programmata noto come apoptosi.

PUNTI CHIAVE

• Le cellule attivano una risposta al danno al DNA (DDR) quando rilevano un danno alle molecole di DNA.
• Il DDR comprende vari meccanismi di riparazione per correggere diversi tipi di danni al DNA.
• In linea generale, questi meccanismi di riparazione coinvolgono enzimi che rimuovono le basi del DNA danneggiate, colmano le lacune con nuovo DNA corretto e infine ricompongono eventuali rotture.
• In risposta al danno al DNA, è possibile che le cellule non riescano a dividersi e che siano destinate alla morte cellulare programmata (apoptosi).

Che cos'è il gene ATM?

Il gene ATM (ataxia-telangiectasia mutated) codifica una proteina che rileva i danni al DNA e avvia i meccanismi di riparazione. Svolge un ruolo particolarmente importante nell'identificazione e nella riparazione delle rotture a doppio filamento del DNA.

Il gene ATM è così chiamato perché rare mutazioni al suo interno possono causare una malattia ereditaria nota come atassia telangiectasia. Questa malattia è caratterizzata da una progressiva difficoltà nei movimenti e nella coordinazione (atassia) e da un rischio maggiore di sviluppare tumori. L'aumento del rischio di cancro nell'atassia telangiectasia è probabilmente dovuto a anomalie nei meccanismi di riparazione del DNA, che consentono ad altre mutazioni di accumularsi e causare una crescita cellulare incontrollata.

Queste alterazioni nella riparazione del DNA derivano da rare mutazioni del gene ATM che determinano la produzione di una proteina ATM non funzionante.

Si prega di notare che il nostro test sui tratti genetici relativi all'ATM e al danno al DNA non prende in considerazione queste mutazioni rare associate a una proteina ATM non funzionale e allo sviluppo dell'atassia-telangiectasia. Ci concentriamo invece sulle mutazioni dell'ATM più comuni (SNP) che sono collegate a lievi differenze nella suscettibilità al danno al DNA.

PUNTI CHIAVE

• Il gene ATM svolge un ruolo importante nel rilevare i danni al DNA e nell'attivare i meccanismi di riparazione del DNA.
• Il gene ATM è particolarmente importante per la riparazione delle rotture a doppio filamento.
  
• Le varianti del gene ATM possono influire sulla suscettibilità al danno al DNA.

In che modo l'ATM contribuisce alla riparazione del DNA?

La proteina ATM (codificata dal gene ATM) è un enzima denominato proteina chinasi. In risposta al danno al DNA, questo enzima attiva diverse molecole substrato (effettori) che provvedono alla riparazione del DNA e impediscono alle cellule danneggiate di replicarsi.

In particolare, la proteina ATM viene reclutata nei punti in cui si verificano rotture a doppio filamento (DSB) nella molecola di DNA. Dopo essersi legata al sito della rottura, la proteina ATM si attiva e stimola altre molecole effettrici che provvedono a riparare la rottura a doppio filamento.

Ad esempio, l'ATM può attivare gli enzimi coinvolti nella ricombinazione omologa (HR) e nella riparazione non omologa delle rotture a doppio filamento (NHEJ) (come illustrato nella sezione precedente).

Fonte: Nissenkorn, A., & Ben-Zeev, B. (2015). Atassia-telangiectasia. Manuale di neurologia clinica, 132, 199-214.

L'ATM attiva inoltre dei punti di controllo per impedire alle cellule con DNA danneggiato di replicarsi e dividersi. A questo proposito, una delle proteine chiave attivate dall'ATM è la p53, nota come "guardiana del genoma". La p53 è un esempio di proteina oncosoppressore: impedisce alle cellule con DNA danneggiato di progredire nel ciclo cellulare e di dividersi. Senza l'azione dell'ATM e della p53, le cellule danneggiate potrebbero continuare a replicarsi, portando a una crescita cellulare incontrollata.

Oltre a bloccare le cellule danneggiate nei punti di controllo per impedire loro di dividersi in modo incontrollato, l'ATM può anche indurre le cellule danneggiate a «suicidarsi» attraverso l'apoptosi, ovvero la morte cellulare programmata.

PUNTI CHIAVE

• La proteina ATM si lega al DNA danneggiato e attiva altre molecole responsabili della riparazione del DNA.
• L'ATM attiva inoltre i punti di controllo del ciclo cellulare per impedire alle cellule danneggiate di dividersi.
• L'ATM può anche determinare l'eliminazione delle cellule danneggiate attraverso un processo di morte cellulare programmata (apoptosi).

In che modo le varianti del gene ATM influenzano la suscettibilità al danno al DNA?

All'interno del gene ATM sono presenti diversi SNP (polimorfismi a singolo nucleotide) che, secondo quanto ipotizzato, influenzano la suscettibilità al danno al DNA e alla crescita cellulare incontrollata.

Uno di questi SNP, denominato rs664143, provoca una mutazione da A a G nel gene ATM, dando origine a due diverse varianti del gene ATM, dette «alleli»: l’allele «A» e l’allele «G».

Tra questi, l'allele «A» è stato associato a una maggiore suscettibilità al danneggiamento del DNA e alla crescita cellulare incontrollata.

La crescita cellulare incontrollata nel tessuto polmonare può causare il cancro ai polmoni, e alcune meta-analisi hanno associato l’allele «A» a un aumento del rischio di cancro ai polmoni. Gli studi inclusi in queste meta-analisi tendono a confrontare il genotipo ATM dei «casi» affetti da cancro ai polmoni con quello di soggetti sani di controllo. Si osserva quindi se un particolare genotipo o allele sia sovrarappresentato nei casi di cancro ai polmoni. Più specificamente, calcolano un odds ratio, che indica approssimativamente di quanto un genotipo sia più soggetto a sviluppare il cancro ai polmoni rispetto a un altro genotipo.

Ad esempio, una meta-analisi del 2017 ha rilevato che i genotipi AG e AA erano associati a un odds ratio di 1,48 per il cancro ai polmoni. Ciò significa che le persone con genotipi AG e AA (ovvero i portatori dell'allele "A") avevano una probabilità 1,48 volte maggiore (ovvero il 48% in più) di sviluppare un tumore al polmone rispetto a quelle con genotipo GG. Ciò è illustrato nel grafico a foresta riportato di seguito.

Fonte: Xu, Y., Gao, P., Lv, X., Zhang, L., Li, W. e Zhang, J. (2017). Una meta-analisi della relazione tra i polimorfismi del gene ATX e la predisposizione al cancro ai polmoni. Pathology-Research and Practice, 213(9), 1152-1159.

Si noti, tuttavia, che questi rapporti di probabilità sono associati esclusivamente ai genotipi e non possono essere utilizzati per calcolare il rischio individuale di cancro ai polmoni. Inoltre, solo rapporti di probabilità molto elevati sono utili come indicatori della malattia. Ad esempio, se si desidera individuare l'80% dei casi di cancro al polmone sulla base della presenza dell'allele di rischio "A", allora, con un odds ratio basso pari a 1,5, circa il 73% dei controlli sani verrebbe erroneamente classificato come caso di cancro al polmone.

È inoltre importante considerare questi studi di associazione genetica nel contesto di altri geni e fattori ambientali che influenzano il rischio di cancro ai polmoni. I singoli geni o alleli spiegano in genere solo una minima parte della varianza in molte malattie, compreso il cancro ai polmoni. Al contrario, si stima che il fumo spieghi il 90% della varianza del rischio di cancro ai polmoni negli uomini. Se attualmente fumi, smettere di fumare avrà senza dubbio l’impatto maggiore sul tuo rischio di cancro ai polmoni.

L'effetto dell'assunzione di antiossidanti sulla suscettibilità al danno al DNA

Alcune prove limitate suggeriscono che un maggiore apporto di vitamine antiossidanti, tra cui la vitamina A, la vitamina C e l'acido folico, possa attenuare l'effetto dell'allele «A» sul rischio di danni al DNA e di crescita cellulare incontrollata.

In un'analisi condotta sui soggetti partecipanti allo studio coreano sul cancro al seno, i ricercatori hanno scoperto che l'allele «A» (rs664143), facente parte di un altro gruppo di SNP coereditati nel gene ATM, era associato a un rischio più elevato di cancro al seno. Tale associazione risultava ridotta nelle donne con un elevato apporto di vitamina A, vitamina C e acido folico.

Sono necessari ulteriori studi in questo campo, ma vale la pena sottolineare che è ampiamente dimostrato che un'alimentazione sana (ricca di una varietà di micronutrienti di origine vegetale) e uno stile di vita sano contribuiscono a proteggere dallo sviluppo del cancro, indipendentemente dal genotipo.

Nel 2014 è stato stimato che il 13,9% dei tumori negli uomini e il 22,4% in donne negli Stati Uniti fossero attribuibili a una combinazione di alimentazione scorretta, sovrappeso, mancanza di attività fisica e consumo di alcol. A questo proposito, un’alimentazione ricca di frutta e verdura, un peso corporeo sano, un’attività fisica regolare e un consumo moderato di alcol possono contribuire a ridurre il rischio di cancro.

PUNTI CHIAVE

• L'allele "A" (rs664143) del gene ATM è stato associato a una maggiore suscettibilità al danno al DNA e alla crescita cellulare incontrollata.
• Alcuni studi hanno associato l'allele "A" a un aumento del rischio di cancro ai polmoni, ma tali studi devono essere interpretati con cautela.
• Alcune prove limitate indicano che un maggiore apporto di vitamine antiossidanti potrebbe contribuire a ridurre il rischio di cancro nei portatori dell'allele "A".
• Un'alimentazione scorretta, la mancanza di attività fisica, il sovrappeso e il consumo di alcol possono tutti aumentare il rischio di cancro.

Il tuo ATM e il tratto relativo al danno al DNA

Il test relativo al gene ATM e alla predisposizione al danno al DNA esamina il polimorfismo rs664143 nel gene ATM per valutare la tua predisposizione al danno al DNA. In base ai risultati del tuo test genetico, verrai classificato in uno dei due gruppi seguenti:

• Normale: non presenti l'allele "A", associato a una maggiore suscettibilità al danno al DNA e alla crescita cellulare incontrollata. Il tuo genotipo è GG.

• Rischio maggiore – sei portatore dell'allele «A», associato a una maggiore predisposizione al danneggiamento del DNA e alla crescita cellulare incontrollata. Il tuo genotipo è AG o AA.

Per conoscere il tuo risultato, accedi a truefeed.

‍