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7.1:

Riparazione del DNA

JoVE Core
Molecular Biology
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JoVE Core Molecular Biology
Overview of DNA Repair

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Come deposito di tutte le informazioni genetiche, il DNA è altamente stabile. Tuttavia, come qualsiasi molecola organica, è suscettibile a una varietà di cambiamenti che possono alterare la sua base chimica, compreso calore, radiazioni, e ossidazione da radicali liberi prodotti durante la respirazione cellulare. Anche l’acqua è presente abbondantemente nella cella e può potenzialmente causare danni idrolitici.Esistono sono due tipi di reazioni idrolitiche che danneggiano spontaneamente le basi del DNA in condizioni fisiologiche. La prima, definita deaminazione, colpisce le basi di pirimidina, come la citosina, ed è caratterizzata dalla perdita di un gruppo amminico e dalla presenza di acqua che converte la base in uracile. La seconda è la depurazione, che rappresenta la perdita di basi puriniche a causa della scissione del legame tra la base e il deossiribosio, lasciando un sito apurinico nel DNA.Questi diversi tipi di danno portano a mutazioni casuali, che possono essere molto dannose, causando instabilità del genoma, morte cellulare, o tumori, tra le altre condizioni. Fortunatamente, solo alcune di queste mutazioni sono mantenute durante la replicazione del DNA grazie ai meccanismi di riparazione altamente efficienti delle cellule. La struttura a doppio filamento del DNA stessa è particolarmente adatta alla riparazione, perché contiene due copie separate dell’informazione genetica nei suoi due filamenti.Questo significa che quando un filamento è danneggiato, il filamento complementare può essere usato come stampo per ripristinare la sequenza nucleotidica corretta. Ci sono tre meccanismi comuni di riparazione del DNA:il primo, la riparazione per escissione di base, si concentra sul fissaggio del danno endogeno del DNA, come il danno idrolitico con conseguente deaminazione o depurinazione. La riparazione dell’escissione nucleotidica può correggere il danno causato dalla luce ultravioletta o da una certa sostanza chimica cancerogena.Infine, la riparazione corregge l’incorporazione di basi difettose da parte della DNA polimerasi durante la replicazione, che porterebbe all’accoppiamento di basi errato.

7.1:

Riparazione del DNA

In order to be passed through generations, genomic DNA must be undamaged and error-free. However, every day, DNA in a cell undergoes several thousand to a million damaging events by natural causes and external factors. Ionizing radiation such as UV rays, free radicals produced during cellular respiration, and hydrolytic damage from metabolic reactions can alter the structure of DNA. Damages caused include single-base alteration, base dimerization, chain breaks, and cross-linkage.

Chemically modified genomic DNA can cause errors during transcription and translation into proteins. If the damaged DNA is not repaired before cell division, the genomic mutations can be transferred to the next generations of cells. Some of these mutations can lead to uncontrolled cell growth that develops into cancer.

The cell has developed robust systems to detect and repair DNA damage. DNA damage can be repaired by enzymes that can directly reverse the chemical change in a single reaction. For example, enzyme photolyase uses UV radiation to split thymine dimers by opening the cyclobutane moiety that holds the thymine dimer together.

Other forms of repair follow a multi-step process in which

  1. Chemical modifications in the DNA are detected
  2. Damaged base or region is removed
  3. New DNA is synthesized

If the damage is beyond repair, the cell can either become senescent or undergo apoptosis. Senescence is a state in which the cell becomes irreversibly dormant, i.e., it can no longer undergo cell division, and its cell cycle is halted indefinitely. Apoptosis refers to programmed cell death, where proteins called caspases degrade the cellular components required for cell survival. This is followed by the digestion of DNA by DNases, which causes the cell to shrink in size and transmit signals to a group of white blood cells called macrophages, which engulf and remove cellular debris.

Suggested Reading

  1. Cooper, G. M. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2000. DNA Repair.