Duplicare il genoma: una scelta vitale

Doppia elica del dnaLa regolazione della replicazione del genoma umano, un processo al centro dell’attività di ricerca del Laboratorio di Biologia molecolare, diretto dal prof. Arturo Falaschi.

Introduzione alla replicazione del Dna (A. Falaschi)

di Arturo Falaschi

Da molti anni ho iniziato e sviluppato, prima nell’Istituto di Genetica del CNR di Pavia, poi presso l’International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology di Trieste, e, da due anni a questa parte, presso il nostro Laboratorio, un programma diretto a studiare a livello molecolare il processo di regolazione della replicazione del genoma umano. In passato, siamo riusciti a localizzare un’origine di replicazione umana con assoluta precisione, fino ad individuare (cosa unica per tutti gli organismi multicellulari) la precisa base da cui parte la sintesi replicativa; si tratta di individuare una base su tre miliardi, altro che ago nel pagliaio! Abbiamo concentrato i nostri successivi studi su questa origine, come modello per le origini di replicazione umane; la stessa origine è utilizzata oggi in molti laboratori in giro per il mondo per scopi analoghi.

Siamo poi riusciti ad identificare il sito preciso di interazione di alcune delle proteine che si legano all’origine, sempre con la precisione della singola base, come non è stata realizzata su nessun altro genoma di organismi multicellulari, animali o vegetali che siano, e a studiarne le variazioni durante il processo di attivaziome e desattivazione. Gli sviluppi più stimolanti ottenuti recentemente riguardano l’identificazione di nuove proteine che interagiscono con l’origine che stiamo studiando; una in particolare, che è stata identificata grazie alla collaborazione coll’Istituo di Genetica del CNR di Pavia, consiste in una proteina “omeotica”, ossia una proteina che opera nel processo di sviluppo e differenziamento dell’organismo. Qesta osservazione si associa a quanto dicevo sopra, sull’importanza della regolazione della replicazione per quel processo. In più, questa stessa proteina risulta essere anche “oncogenica”, in quanto certe mutazioni del gene che la codifica causano leucemie: un ulteriore indizio del rapporto tra regolazione della duplicazione e cancerogenesi. Stiamo pertando studiando, in collaborazione col Prof. Beltram e il Laboratorio di Fisica della Scuola, le possibili interazioni di questa proteina con altre proteine dell’apparato di regolazione dell’origine, mentre col Prof. Citti dell’Istituto di Fisiologia Clinica del CNR, studiamo i dettagli della sua interazione col DNA.

Un’altra famiglia di proteine di grande interesse di cui (in collaborazione coll’ICGEB di Trieste) abbiamo potuto dimostrare la proprietà di interagire funzionalmente con l’origine di replicazione, sono le cosiddette topoisomerasi del DNA. Questi sono enzimi che, come indica il nome, modificano la topologia del DNA introducendo nella doppia elica delle particolari contorsioni (più rigorosamente definite come super-avvolgimenti positivi o negativi) e sono già note avere un ruolo essenziale nelle funzioni fondamentali del DNA, e cioè per permettere la progressione della replicazione, per assicurare la copiatura del DNA in RNA (la cosiddette trascrizione), e per districare viluppi di doppie eliche prodotti in diverse occasioni. Le topoisomerasi sono di due tipi; il tipo I permette il passaggio di una singola elica attraverso il suo complemento, riformando alla fine la continuità della doppia elica (solo con topologia modificata; il tipo II permette il passaggio di una doppia elica attraverso un’altra, sempre riformando alla fine la continuità delle molecole coinvolte.

Abbiamo potuto dimostrare che le due topoisomerasi interagiscono con punti precisi dell’origine di replicazione e fanno quindi parte del complesso multiproteico che ne regola la funzione. Abbiamo indicazioni che la topoisomerasi di tipo II svolga un ruolo nel montaggio del complesso multiproteico che regola l’origine e che la topoisomerasi di tipo I intervenga direttamente nel far scattare il processo di sintesi bi-direzionale.

Queste osservazioni sono anch’esse particolarmente stimolanti, in quanto, non solo i due enzimi sono indispensabili per la vita e bersagli di alcuni dei più efficaci farmaci anti-tumorali, ma, anche nel loro caso, certe mutazioni dei loro geni causano leucemie.

Stiamo sviluppando questo programma di ricerca mirando a dare una definizione molecolare dettagliata dei fattori coinvolti nel processo di attivazione e disattivazione dell’origine, delle loro strutture e delle interazioni multimolecolari dinamiche che permettono di regolare precisamente e finemente la replicazione del genoma umano, con le conseguenti implicazioni per lo svolgimento organico del programma di sviluppo e differenziamento e per lo scatenamento della proliferazione cellulare incontrollata.

Per approfondimenti

G. Abdurashidova, M. Deganuto, R. Klima, S. Riva, G. Biamonti, M. Giacca, A. Falaschi: Start sites of bidirectional DNA synthesis at the human lamin B2 origin. Science 287:2023-2026, 2000

G. Abdurashidova, M.B. Danailov, A. Ochem, G. Triolo, V. Djeliova, S. Radulescu, A. Vindigni, S. Riva, A. Falaschi: Localization of proteins bound to a replication origin of human DNA along the cell cycle. EMBO J. 22:4294-4303, 2003