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• La DNA elicasi idrolizza ATP e separa le due
eliche del DNA rompendo i legami idrogeno
tra le basi azotate
• A valle dell’apertura della doppia elica si
genera un superavvolgimento che la
topoisomerasi I elimina
• Le proteine ssB (Single-Strand Binding)
tengono separate le due eliche
• La DNA primasi sintetizza brevi primer di
RNA (10-12 nucleotidi)
• La DNA polimerasi sintetizza nuovo DNA
come prolungamento dei primer di RNA
Direzione di sintesi
sulla elica guida
Direzione di sintesi
sull’elica in ritardo
Direzione del movimento della forcella
• La DNA Polimerasi non può iniziare la sintesi
• La Primasi costruisce un primer di RNA
• La DNA polimerasi inizia la sintesi di DNA prolungando il
primer di RNA
Topoisomerasi I
Dinamica della cromatina durante la replicazione del DNA
Sono note le dinamiche di associazione di 3.995
proteine confrontando la cromatina nascente
con quella matura post-replicativa
Dinamica della cromatina durante la replicazione del DNA
Feb 2014
La sequenza del DNA e la sua organizzazione in cromatina debbono essere duplicate prima
della divisione cellulare per poter mantenere la funzione e la stabilità del genoma. Sono state
studiate le dinamiche di associazione per 3.995 proteine confrontando la cromatina nascente
con quella matura post-replicativa​​. Le proteine implicate nella replicazione e 485 proteine della
cromatina, come CAF-1, DNMT1 e SUV39h1, si trovano arricchiti nella cromatina nascente,
mentre 170 proteine, tra cui l'istone H1, DNMT3, MBD1-3 e PRC1, mostrano un’associazione
ritardata. Ciò si correla con la rimozione di H4K5K12diAc e l'accumulo di H3K9me1, mentre
H3K27me3 e H3K9me3 rimangono invariati. Sono state inoltre individuate nella cromatina
nascente 93 proteine a funzione non ancora caratterizzata e le proteine FAM111A sono state
identificate come fattore di replicazione richiesto per il PCNA loading. Questi dati offrono una
vasta risorsa per comprendere il mantenimento del genoma e dell’epigenoma.
Sono state studiate le dinamiche di associazione per 3.995 fattori durante la
replicazione del DNA e la maturazione della cromatina, e sono state ipotizzate
funzioni nella replicazione per 93 proteine ​non caratterizzate. Questa analisi
rivela che la replicazione perturba notevolmente la composizione della
cromatina, con 561 proteine che cambiano associazione entro le prime ore
post-replicazione. Questo si correla con la deacetilazione dei nuovi istoni, ma
restano sorprendentemente invariate marcature repressive quali H3K9me3 e
H3K27me3. Nel complesso, questo grande analisi quantitativa fornisce una
risorsa unica per capire il mantenimento dell’epigenoma nelle cellule
proliferanti.
Il fatto che l'istone H1 sia reclutato in maniera ritardata supporta l’ipotesi che
la deacetilazione dei nuovi istoni permette il legarsi dell'istone H1 e la
compattazione. Anche PRC1 promuove la compattazione e con PRC2
costituisce un importante sistema di memoria cellulare. Uno studio in vitro
della replicazione di SV40 proponeva che PRC1 restasse vincolato alla
cromatina durante la replicazione del DNA. Questo lavoro sostiene che una
parte sostanziale di PRC1 viene reclutato più tardi durante la maturazione
della cromatina. Invece il complesso PRC2 è presente sia nella cromatina
nascente che matura, in linea con la rapida assunzione da parte della
cromatina nascente di istoni parentali che hanno H3K27me3. Poiché i livelli di
H3K27me3 non sono cambiati, altre caratteristiche devono contribuire al
reclutamento ritardato di PRC1.
La variante centromerica di H3, CENP-A, era arricchita nella cromatina
nascente, nonostante il fatto che l’incorporazione stabile de novo di CENP-A
avvenga principalmente all’inizio della fase G1. Una possibile spiegazione è
che CENP-A si associ in modo spurio a regioni genomiche accessibili, come
la cromatina nascente ed i siti di riparazione del DNA, oppure che
cambiamenti strutturali nei nucleosomi contenenti CENP-A dopo la
replicazione possano influenzare l’efficienza del crosslinking. Anche la
variante istonica H2A.Z decora la cromatina del centromero, oltre alle
regioni pericentriche, ai promotori ed ai geni. Al contrario di CENP-A, i livelli
di H2A.Z aumentano con la maturazione della cromatina. Questo
probabilmente riflette la diluizione di H2A.Z durante la replicazione, seguita
dalla incorporazione di nuovo H2A.Z in modo replicazione indipendente.
La presenza di H3K27me3 e H3K9me3 nella cromatina nascente rispecchia
in gran parte la trasmissione di vecchi istoni, confermando i modelli di
memoria epigenetica nelll’uomo. Questi studi supportano il modello in cui
H3K9me3 e H3K27me3 sono trasferiti con i vecchi istoni e che questa
metilazione dei nuovi istoni si realizzi con una cinetica lenta, mentre la
mono-metilazione è più rapida.
La coesina è un complesso
proteico associato ai cromosomi,
è conservato negli eucarioti ed ha
stretti omologhi nei batteri
Dopo la duplicazione del DNA, la
coesina media la coesione tra i
cromatidi fratelli ed è essenziale
per segregazione dei cromatidi la
durante la divisione
La coesina interviene anche nel
processo di riparazione del DNA
ed ha importanti funzioni nella
regolazione dell'espressione
genica con conseguente ruolo in
molte patologie
The cohesin complex and its roles in chromosome biology Genes Dev. 2008 Nov 15;22(22):3089-114. doi:
10.1101/gad.1724308 - Peters JM, Tedeschi A, Schmitz J.
Architettura del complesso della coesina
Nelle cellule somatiche, il complesso coesina si compone di varie proteine:
SMC1A (Structural Maintenance of Chromosomes), SMC3, RAD21 e SA1
(Stromal Antigen) o SA2, Scc1 (Sister chromatid cohesion) e da Wapl, Pds5,
Soronin che modulano la dinamica dell’associazione con la cromatina.
Nelle cellule germinali ci sono varianti di SMC1, RAD21 e SA (in parentesi).
I fattori di trascrizione sono rimossi due volte dalla
cromatina, durante la sintesi del DNA e durante la
condensazione dei cromosomi
I fattori di trascrizione appaiono organizzati in cluster che
si formano intorno alla coesina
La coesina resta legata durante la fase S del ciclo
cellulare, tenendo insieme i cromatidi fratelli ed i complessi
dei fattori di trascrizione
Emerge sempre più il ruolo delle funzioni leganti della coesina
come una memoria cellulare che promuove il
riposizionamento dei cluster di fattori di trascrizione dopo la
replicazione del DNA e la condensazione della cromatina
Transcription factor binding in human cells occurs in dense clusters formed around cohesin anchor sites - Cell.
2013 Aug 15;154(4):801-13. doi: 10.1016/j.cell.2013.07.034 - Yan et al.
Structure of the human cohesin inhibitor Wapl - Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jul 9;110(28):11355-60. doi:
10.1073/pnas.1304594110 - Ouyang et al.
Funzioni della coesina:
(a) le funzioni di coesione in interfase sono
importanti per la stabilizzazione delle forcelle
di replicazione del DNA che sono in stallo e
per promuovere il loro riavvio. Ciò è
particolarmente importante per le regioni che
sono difficili da replicare, come i telomeri.
La coesione facilita anche l'uso dei cromatidi
fratelli come stampo per riparare rotture del
doppio filamento (DSB) attraverso la
ricombinazione omologa, evitando così una
riparazione e ricombinazione imprecisa tra i
cromosomi omologhi.
In mitosi, la coesione assicura la fedele
segregazione dei cromosomi, promuove
l'orientamento dei cinetocori fratelli per
facilitare il loro attaccamento ai microtubuli
del fuso provenienti dai poli opposti,
impedisce la separazione dei cromatidi
fratelli fino a quando tutti i cromosomi non
hanno un attacco bipolare (noto anche come
biorientazione).
Funzioni della coesina:
(b) altre funzioni di coesione della coesina sono
importanti nell’organizzazione del genoma.
Il genoma è suddiviso in unità discrete note
come domini topologicamente associati (TAD),
che vanno da 100 kb a 1 Mb nei mammiferi.
Sia il fattore CTCF che la coesina
contribuiscono a questa organizzazione,
probabilmente attraverso la formazione di anse
di cromatina.
Le TAD limitano ad un dominio specifico le
attività di regolazione (ad esempio, gli
enhancer). All'interno di un dominio, la coesina
può promuovere la trascrizione facilitando
l'interazione tra un enhancer ed un promotore o
concorrere alla regolazione trascrizionale di un
cluster di geni.
La coesina è anche chiamata in causa per
organizzare i loop cromatina nel corso della
duplicazione del DNA, facilitando in tal modo la
simultanea replicazione delle origini.
Se questo problema non trova una
soluzione, è inevitabile che i
cromosomi si accorcino ad ogni ciclo
di replicazione del DNA
Negli eucarioti, la progressiva perdita di DNA
nei telomeri dei cromosoma è contrastata dall’enzima
telomerasi, una trascrittasi inversa che utilizza un RNA come
stampo per sintetizzare il DNA ripetuto dei telomeri
Telomerase RNA biogenesis involves sequential binding by Sm and Lsm complexes - Tang et al. – Nature, 484, 260-264,
2012 - doi: 10.1038/nature10924
Le estremità dei cromosomi lineari, telomeri, sono formate da
brevi sequenze di DNA altamente ripetuto
La lunghezza del DNA dei telomeri è mantenuta costante dalla
telomerasi che sintetizza DNA sullo stampo di un RNA
La telomerasi è una trascrittasi inversa che contiene una
molecola di RNA che funziona da stampo per costruire DNA alle
estremità 3’ dei cromosomi, consentendone la completa
duplicazione e quindi impedendo l’accorciamento dei telomeri
durante la replicazione dei cromosomi lineari degli eucarioti
Nei mammiferi la telomerasi è attiva nelle cellule germinali e
nelle cellule embrionali, il perdurare della sua espressione
nelle cellule somatiche può causare o predisporre al cancro
Finding the end: recruitment of telomerase to telomeres - Nat Rev Mol Cell Biol. 2013 Feb;14(2):69-82. doi: 10.1038/nrm3505
- Nandakumar J, Cech TR.
Il DNA dei telomeri contiene ripetizioni
multiple (TTAGGG) all’estremità dei
cromosomi delle cellule di mammifero
Senza la telomerasi, durante la duplicazione
del DNA e la divisione cellulare, i telomeri si
accorciano e questo fatto causa senescenza,
limita la durata della vita dei mammiferi e
produce le malattie legate all'età.
Il complesso proteico telomerasi, contiene la
trascrittasi inversa TERT e l’RNA stampo
TERC.
Nella regione dei telomeri si lega un
complesso di sei proteine (TRF1, TRF2, TPP1,
POT1, TIN2 e RAP1), Shelterin/telosoma,
fondamentale per il mantenimento della
struttura e della funzione dei telomeri
La telomerasi è attiva solo nelle cellule
staminali, nelle cellule germinali, in alcuni
globuli bianchi, e in vari tumori.
I telomeri possono essere mantenuti senza la
telomerasi, con meccanismi di ricombinazione
omologa di allungamento alternativo dei
telomeri (ALT).
La pathway ALT (meccanismo alternativo di
allungamento dei telomeri) nelle cellule staminali
pluripotenti
Mentre nell'85-90% dei tumori umani i telomeri si
estendono per la riattivazione della telomerasi, nel
restante 10-15% dei tumori si utilizza la pathway ALT,
un processo che dipende dalla ricombinazione
omologa. Di solito, nella maggior parte delle cellule i
due meccanismi di mantenimento dei telomeri si
escludono a vicenda.
Nelle PSC possono coesistere ALT e telomerasi.
I telomeri sono ripetizioni multiple di TTAGGG all’estremità dei cromosomi delle cellule di mammifero. In
assenza di telomerasi, durante la duplicazione del DNA e la divisione cellulare, i telomeri si accorciano e
questo fatto causa senescenza, limita la durata della vita dei mammiferi e produce le malattie legate all'età.
La lunghezza dei telomeri è mantenuta dalla telomerasi, che contiene la trascrittasi inversa TERT e l’RNA
stampo TERC, nonché varie proteine associate come la ribonucleoproteina dyskerin (DKC1). La telomerasi
è responsabile dell'estensione dei telomeri de novo, per evitarne l’accorciamento nei vari cicli di divisione
cellulare. Inoltre, la regione dei telomeri è legata ad un complesso di sei proteine (TRF1, TRF2, TPP1,
POT1, TIN2 e RAP1) chiamato Shelterin/telosoma che è fondamentale per il mantenimento della struttura e
della funzione dei telomeri.
La telomerasi è attiva solo nelle cellule staminali, nelle cellule germinali, in alcuni globuli bianchi, e in vari
tumori. In alcuni casi, tuttavia, i telomeri possono essere mantenuti senza la telomerasi, attraverso
meccanismi quali la ricombinazione omologa, che sono stati definiti come allungamento alternativo dei
telomeri (ALT).
ALT è stata trovata nel 10-15% dei tumori ed è spesso caratterizzata dalla co-localizzazione dei telomeri
con i corpi della leucemia promielocitica (PML) (noti come corpi ALT-associata PML (APBS)), da lunghezza
dei telomeri estremamente eterogenea, anelli di DNA extra-cromosomici ed alte frequenze di scambio dei
telomeri dei cromatidi fratelli (T-SCE). ALT tende a verificarsi in tumori come osteosarcoma e sarcomi dei
tessuti molli di origine mesenchimale o neuroepiteliale. Si è constatato che ALT e telomerasi possono
coesistere nelle cellule umane in determinate circostanze.
Nel topo, ALT esiste nelle normali cellule somatiche ma non nella linea germinale. Inoltre, si è riscontrato che
durante le prime divisioni dell’embrione, i telomeri sono allungati da un meccanismo ALT simile. Numerose
evidenze indicano che i telomeri sono strettamente legati alla regolazione epigenetica.
Molte caratteristiche dell’eterocromatina si trovano nei domini telomerici o subtelomerici dei mammiferi,
come la trimetilazione H3K9 e H4K20, l’arricchimento in HP1, bassi livelli di H3 e H4 acetilati, e
l’ipermetilazione del DNA nella regione subtelomerica. Queste caratteristiche aiutano nel mantenere
compressa la struttura della cromatina e prolungano l’omeostasi della lunghezza dei telomeri.
Sta emergendo che la disfunzione dei telomeri può influenzare il
metabolismo cellulare modificando la funzione mitocondriale. Il
progressivo accorciamento dei telomeri limita la capacità di
replicazione delle cellule che possono dividersi, come le cellule
staminali, ed induce p53 per reprimere PGC-1α e PGC-1β,
collegando in tal modo i telomeri alla biologia dei mitocondri, alla
difesa ossidativa, ed al metabolismo.
Una delle proteine telomeriche nucleari, TIN2, si può localizzare
anche nei mitocondri dove svolge un ruolo importante nella
regolazione della funzione mitocondriale. TIN2 modula
negativamente la produzione di ATP, limitando il trasporto di
elettroni nella catena respiratoria e quindi riducendo il potenziale
della membrana mitocondriale interna. Sono necessarie ulteriori
studi per determinare se le mutazioni di TIN2 possano inficiare la
pluripotenza delle PSC e l’efficienza della riprogrammazione
delle iPSC nel modello sperimentale di discheratosi congenita
TIN2-dipendente.
Lo studio delle ESC
umane dimostra che i
telomeri si allungano
durante l‘iniziale
espansione in vitro e poi
si attestano ad un livello
relativamente stabile
telomerasi-dipendente.
Lo stato dei telomeri delle
ESC è strettamente
associato all'autorinnovamento e alla
pluripotenza. ESC con
telomeri corti mostrano
ridotta pluripotenza e
formano teratomi e
chimere in vivo.
La lunghezza dei
telomeri aumenta
durante lo sviluppo
embrionale preimpianto e
la procedura per ottenere
le iPSC
La disfunzione dei telomeri può influenzare il metabolismo
cellulare modificando la funzione mitocondriale.
Il progressivo accorciamento dei telomeri limita la capacità di
replicazione delle cellule che possono dividersi, come le cellule
staminali, ed induce p53 per reprimere PGC-1α e PGC-1β,
collegando in tal modo i telomeri alla biologia dei
mitocondri, alla difesa ossidativa, ed al metabolismo.
Una delle proteine telomeriche nucleari, TIN2, si può
localizzare anche nei mitocondri dove svolge un ruolo
importante nella regolazione della funzione mitocondriale.
TIN2 modula negativamente la produzione di ATP, limitando il
trasporto di elettroni nella catena respiratoria e quindi riducendo
il potenziale della membrana mitocondriale interna.
Il DNA telomerico è protetto da proteine telomero-linked che nei mammiferi formano
il complesso shelterin che impedisce la riparazione del DNA
Le estremità dei cromosomi lineari devono infatti essere distinte dalle estremità del
DNA danneggiato che richiedono la riparazione
Senza tale distinzione, i cromosomi lineari vanno incontro a reazioni di saldatura delle
estremità, ricombinazioni che provocano effetti deleteri come mutazioni cromosomiche
La presenza di Telomerasi consente l’assemblaggio delle proteine telomeriche che
proteggono il DNA dei telomeri e lo rendono distinguibile dal DNA danneggiato
Finding the end: recruitment of telomerase to telomeres - Nat Rev Mol Cell Biol. 2013 Feb;14(2):69-82. doi: 10.1038/nrm3505 - Nandakumar & Cech
Organizzazione e signalling dei telomeri :
(a) i telomeri dei mammiferi contengono ripetizioni di
sequenze TTAGGG ed il complesso proteico Shelterin
(costituito da vari TRF1, TRF2, RAP1, TIN2, TPP1 e
POT1 a protezione dei telomeri)
(b) le proteine Rap1 che ricoprono il DNA telomerico a
doppia elica, reclutano le proteine Sir che promuovono
la diffusione della eterocromatina nella
regione subtelomerica
Giu 2014
Il complesso del telomero protegge
le estremità dei cromosomi sia dal
danno che da un’inappropriata
attivazione dei meccanismi di
riparazione del DNA. Le proteine del
complesso del telomero possono
trovarsi anche fuori dal telomero e
regolare la trascrizione di geni
coinvolti nel metabolismo,
nell’immunità e nel differenziamento.
Questi risultati evidenziano pathway di signalling con le quali
cambiamenti nei telomeri controllano la capacità dei loro fattori
associati a regolare la trascrizione. Ne risulta una grande diversità
delle risposte dei vari tipi di cellule alle modificazioni dei telomeri,
che possono quindi rappresentare un aspetto fondamentale dello
sviluppo, dell'invecchiamento e delle malattie telomero-mediate.
Organizzazione e signalling dei telomeri :
(c) i telomeri possono essere visti come un’antenna ricevente e/o
trasmittente, che può integrare una vasta gamma di segnali endogeni
ed esogeni (box grigi) modificando la loro lunghezza e/o struttura della
cromatina, il che porta a variazioni del destino della cellula (box rossi).
Signalling dei telomeri che collega l'attivazione da danno al DNA (DDR) con
la regolazione trascrizionale delle proteine telomeriche
Numerose evidenze suggeriscono
telomerici nella regolazione di
che suggerisce un modello di
accoppia risposta al danno del
telomero-dipendente attraverso la
regolare la trascrizione in modo
il coinvolgimento di fattori
diverse risposte trascrizionali, il
signalling telomerico che
DNA (DDR) e regolazione genica
capacità dei fattori telomerici di
genome wide.
Esempi di geni target telomero-dipendenti sono alcuni geni neuronali regolati da TRF2, geni del metabolismo
regolati da RAP1, geni infiammatori regolati dalla telomerasi TERT, PGC1A collegato con la proliferazione dei
perossisomi che è regolato da entrambi RAP1 e p53.
Molte cellule
tumorali
esprimono
un'elevata
attività della
telomerasi, e
mutazioni
nelle subunità componenti la telomerasi sono associate a sindromi
degenerative quali la discheratosi congenita e l’anemia aplastica.
Telomerase RNA biogenesis involves sequential binding by Sm and Lsm complexes - Tang et al. – Nature, 484, 260-264,
2012 - doi: 10.1038/nature10924
Vi è un crescente interesse per comprendere i meccanismi
che collegano gli effetti dello stress in età infantile con la
morbilità e mortalità per malattia in età adulta. Precedenti studi
hanno suggerito l’erosione dei telomeri come meccanismo
per collegare lo stress a invecchiamento cellulare, malattie e
mortalità negli esseri umani.
stress infantile … stato dei telomeri = potenziale impatto
sulla salute per tutta la vita
Exposure to violence during childhood is associated with
telomere erosion from 5 to 10 years of age: a longitudinal
study
Mol Psychiatry. 2013 May;18(5):576-81. doi: 10.1038/mp.2012.32 - Shalev et al.
Stress alters children's genomes - Poverty and unstable
family environments shorten chromosome-protecting
telomeres in nine-year-olds
Nature, news sharing, 2014 April. doi:10.1038/nature.2014.14997 - Jyoti Madhusoodanan
Vi è un crescente interesse per comprendere i meccanismi
che collegano gli effetti dello stress in età infantile con la
morbilità e mortalità per malattia in età adulta. Precedenti studi
hanno suggerito l’erosione dei telomeri come un potenziale
meccanismo per collegare lo stress a invecchiamento cellulare,
malattie e mortalità negli esseri umani.
Abbiamo esaminato l'erosione dei telomeri in relazione
all'esposizione di bambini a violenza, un importante stressore
nelle prime fasi di vita, che è noto portare conseguenze a lungo
termine per il benessere dell’individuo, ed è un problema
saliente per la salute pubblica e per il welfare sociale.
Questi risultati forniscono un nuovo elemento per collegare lo
stress infantile cumulativo con lo stato dei telomeri, già
misurabile in giovane età, che significa un potenziale impatto
sulla salute per tutta la vita.
Exposure to violence during childhood is associated with telomere erosion from 5 to 10 years of age: a longitudinal
study - Mol Psychiatry. 2013 May;18(5):576-81. doi: 10.1038/mp.2012.32 - Shalev et al.
In questo primo studio prospettico-longitudinale, effettuando misurazioni
ripetute dei telomeri in bambini sottoposti a stress, abbiamo testato l'ipotesi
che l'esposizione alla violenza infantile (dai 5 ai 10 anni di età) possa
accelerare l'erosione dei telomeri. La violenza valutata era (i) esposizione a
violenza domestica materna, (ii) frequente vittimizzazione da episodi di
bullismo e (iii) maltrattamenti fisici da parte di un adulto. I partecipanti
sono stati 236 bambini (il 49% femmine, di cui il 42%, con una o più
esposizioni a violenza) reclutati da Environmental Risk Longitudinal Twin
Study, rappresentativa dei nati nazionali nel periodo 1994-1995.
La lunghezza media relativa dei telomeri di ogni bambino è stata misurata
simultaneamente all’inizio e nel corso del follow-up su campioni di DNA.
Rispetto alle loro controparti di controllo, i bambini che hanno
sperimentato due o più tipi di esposizione alla violenza hanno mostrato una
erosione dei telomeri significativamente più elevata anche aver
aggiustato per sesso, stato socio-economico ed indice di massa corporea.
Exposure to violence during childhood is associated with telomere erosion from 5 to 10 years of age: a longitudinal
study - Mol Psychiatry. 2013 May;18(5):576-81. doi: 10.1038/mp.2012.32 - Shalev et al.
Tuttavia, poiché gli effetti dello stress sono
tangibili già all'età di 9 anni, alcuni autori
suggeriscono che pratiche di intervento precoce
possano aiutare a moderare gli effetti delle
avversità sulla salute dei bambini.
Si tratta di un primo ma importante passo per
comprendere come le disparità sociali, ad esempio legate al colore
della pelle, possano incidere sulla salute per tutta la vita.
Ambienti sociali svantaggiati sono associati a
seri problemi di salute, probabilmente a causa di
una condizione di stress cronico.
La lunghezza dei telomeri è stata utilizzata come
biomarker di stress cronico; i telomeri sono più
corti negli adulti provenienti da una varietà di
contesti, con svantaggio per posizione sociale e
per depressione.
Apr 2014
NATURE | NEWS Sharing
Stress alters children's genomes
Poverty and unstable family environments shorten
chromosome-protecting telomeres in nine-year-olds
Jyoti Madhusoodanan, 07 April 2014,
doi:10.1038/nature.2014.14997
Una recente ricerca dimostra che crescere in un ambiente sociale stressante
lascia segni duraturi sui cromosomi di ragazzi afro-americani. I telomeri,
sequenze di DNA ripetitivo che proteggono le estremità dei cromosomi, sono
più corti nei bambini provenienti da famiglie povere ed instabili rispetto quelli di
bambini provenienti da famiglie più accoglienti.
Quando sono stati esaminati campioni di DNA di 40 ragazzi di 9 anni
provenienti dalle principali città degli Stati Uniti, è stato scoperto che i telomeri
dei bambini provenienti da ambienti familiari difficili erano del 19% più corti
rispetto a quelli dei bambini provenienti da ambienti più tranquilli. La lunghezza
dei telomeri è spesso considerata come un biomarker dello stress cronico.
Lo studio, pubblicato oggi negli Atti della National Academy of Sciences, ci
avvicina a comprendere come le condizioni sociali durante l'infanzia possano
influenzare la salute a lungo termine.
I telomeri dei ragazzi figli di madri istruite erano del 32% più lunghi di quelli di
ragazzi figli di madri non istruite. I bambini provenienti da famiglie stabili
avevano telomeri più lunghi del 40% rispetto a quelli di bambini che avevano
vissuto molti cambiamenti, anche drammatici, nella struttura familiare.
Collegamenti con la genetica
Lo studio riporta che il legame tra ambienti domestici stressanti e lunghezza
dei telomeri è moderato da varianti genetiche nelle pathway che elaborano
due neurotrasmettitori nel cervello, serotonina e dopamina. Precedenti studi
hanno correlato varianti di alcuni dei geni studiati, come TPH2, con la
depressione, il disturbo bipolare ed altri problemi di salute mentale. Le
varianti di un altro gene, 5-HTT, riducono la quantità di proteina che ricicla la
serotonina nelle sinapsi nervose. Si pensa che alcuni alleli di questi geni
possano aumentare la sensibilità verso fattori di rischio esterni.
E’ stato trovato che le varianti "sensibilizzanti" di questi geni proteggevano i
telomeri dei bambini che vivevano in ambienti favorevoli, ma non impedivano
il maggior danno ai telomeri dei bambini provenienti da famiglie svantaggiate.
C’è da dire che coloro che mancavano di questi alleli avevano ben poca
differenza nella lunghezza dei loro telomeri, indipendentemente dalle
condizioni di vita. Ma i ragazzi con più di due alleli sensibilizzanti erano
fortemente influenzati dai loro ambienti domestici.
Il team ha in programma di estendere la loro analisi a circa 2.500 bambini
ed alle loro madri per vedere se questi risultati preliminari tengono.
Tuttavia, poiché gli effetti dello stress sono tangibili già all'età di 9 anni,
alcuni autori suggeriscono che pratiche di intervento precoce possano
aiutare a moderare gli effetti delle avversità sulla salute dei bambini.
Si tratta di un primo ma importante passo per comprendere come le
disparità sociali, ad esempio legate al colore della pelle, possano
incidere sulla salute per tutta la vita.
Ambienti sociali svantaggiati sono associati a
seri problemi di salute, probabilmente a causa di
una condizione di stress cronico.
La lunghezza dei telomeri è stata utilizzata come
biomarker di stress cronico; i telomeri sono più
corti negli adulti provenienti da una varietà di
contesti, con svantaggio per posizione sociale e
per depressione.
Apr 2014
Il mantenimento dell'integrità del genoma è essenziale per la
sopravvivenza organismo e per la trasmissione dei caratteri
ereditari alla progenie.
Instabilità genomica derivante da danno al DNA, da errori
durante la replicazione o la divisione cellulare può portare a
mutazioni geniche ed aberrazioni cromosomiche.
Eventi cellulari endogeni ed agenti ambientali esogeni possono
infliggere danni al genoma della cellula con compromissione
della sua integrità. La cellula contrasta questi effetti deleteri
mediante tre pathway evolutivamente conservate:
1) meccanismi multipli per la riparazione di ogni tipo di danno
al DNA;
2) pathway di replicazione del DNA che assicura l’accurata
duplicazione della cromatina dei cromosomi;
3) pathway di segregazione dei cromosomi per conservare il
numero corretto di cromosomi durante la divisione cellulare.
Chromatin and the genome integrity network - Papamichos-Chronakis M. and C.L. Peterson - Nat Rev Genet. 2013
Jan;14(1):62-75. doi: 10.1038/nrg3345.
P53 (Tumor Suppressor Gene)
• Mutata (inattivata) in più del 60% di
tutti i tumori umani
• P53 regola (attiva o reprime) la
trascrizione di più di 50 differenti geni
• La quantità di P53 attivata aumenta
rapidamente quando c’è un danno al
DNA o si accumulano prodotti
intermedi della riparazione
Riparazione del DNA ed
Evoluzione
Dato che le mutazioni e
la ricombinazione sono i
principali “aiutanti”
dell’evoluzione, la
velocità di riparazione del
DNA influenza la velocità
di evoluzione
Riparazione sempre più efficace significa evoluzione più
lenta ma specie più stabili
I sistemi di riparazione del DNA negli Eucarioti hanno avuto
il massimo sviluppo nel periodo geologico pre-Cambriano
• Evento fisico: Radiazioni X, g, UV o particelle
cariche di alta energia ionizzano la materia
biologica cedendo energia
• Evento radiochimico: Formazione di radicali
liberi
• Evento biologico: Danno a carico di molecole
importanti come DNA, membrane, etc.
La riparazione del DNA:
è un processo di difesa nei confronti di un danno
è presente in tutti gli organismi studiati finora
Freccia Rossa – danno ossidativo spontaneo
Freccia Blu – reazione di idrolisi
Freccia Verde - metilazione
La riparazione del DNA
si basa su :
(i) localizzazione del danno, (ii) taglio, (iii) rimozione della
zona danneggiata, (iv) sintesi di DNA, (v) saldatura
Creazione di punti di accesso per la riparazione del DNA.
I danni al DNA (croci rosse) richiedono la riparazione a prescindere dalla
loro posizione nel genoma. La figura rappresenta 4 diversi scenari:
(a) danno in un linker tra due nucleosomi ed accesso limitato solo dai
nucleosomi vicini;
(b) danno all'interno di un nucleosoma, ma nella parte di DNA esposta;
(c) danno all’interno di un nucleosoma, ma nella rivolta verso l’ottamero,
quindi non accessibile dall’esterno;
(d) stessa situazione come in (c), ma nell’eterocromatina. Parziale
depolimerizzazione della eterocromatina ad opera di rimodellatori.
Determinants and dynamics of genome accessibility - Nat Rev Genet. 2011 Jul 12;12(8):554-64. doi: 10.1038/nrg3017 Bell et al.
La diploidia consente di riparare il DNA mediante la
ricombinazione
Un “nick” in un’elica permette l’invasione della regione omologa
da parte dell’altra elica di DNA
Una insufficiente riparazione del DNA è causa di patologie
L’invecchiamento della cellula è associato ad un accumulo di danni al DNA
Studi sperimentali sugli animali, in cui erano stati silenziati geni coinvolti nella riparazione del
DNA, hanno evidenziato un accelerato invecchiamento, una manifestazione precoce di malattie
connesse con l'età avanzata ed una aumentata suscettibilità a sviluppare neoplasie
Patologie ereditarie associate
con difetti nella riparazione del
DNA determinano prematuro
invecchiamento (come la sindrome
di Werner) e una aumentata
sensibilità ai carcinogeni (come
lo Xeroderma Pigmentoso)
Disordini ereditari nella riparazione del DNA sono responsabili di
diversi disordini genetici, quali:
•Xeroderma pigmentoso: ipersensibilità alla luce solare/UV, che
determina aumentata incidenza di cancro alla cute ed
invecchiamento precoce
•Sindrome di Cockayne: ipersensibilità a raggi UV e ad agenti
chimici
•Tricotiodistrofia: sensibilità della pelle e fragilità di unghie e capelli
Studi su animali,
nei quali i geni per
la riparazione del
DNA sono stati
inibiti, mostrano
profili patologici
simili a quelli umani
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