Decifrare il codice delle macchine per il ripiegamento del DNA
Quando una cellula si divide, deve duplicare e organizzare il proprio DNA, un compito enorme data la lunghezza e la complessità del materiale genetico. Si può pensare al DNA come a un lungo filo che deve essere pressato in modo stretto e preciso in un piccolo spazio senza aggrovigliarsi.
Ripiegamento e organizzazione del DNA
Il progetto CHROCODYLE(si apre in una nuova finestra), realizzato con il sostegno del Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), si è posto l’obiettivo di capire esattamente come si ottiene questo impacchettamento. A tal fine, il coordinatore del progetto Stephan Gruber e il suo team della Università di Losanna(si apre in una nuova finestra) in Svizzera si sono concentrati sui complessi di manutenzione strutturale dei cromosomi (SMC), macchine proteiche che piegano e organizzano attivamente il DNA. Questi complessi sono essenziali per mantenere intatto il materiale genetico, fondamentale per la sopravvivenza e il funzionamento delle cellule. Un elemento chiave è la condensina, uno dei complessi SMC che modellano il DNA in anelli. Questi anelli sono fondamentali per la riparazione del DNA e per garantire la corretta distribuzione dei cromosomi durante la divisione cellulare. Tuttavia, la meccanica precisa di come i complessi SMC si muovono lungo il DNA e formano gli anelli è rimasta poco chiara. CHROCODYLE si proponeva di cambiare questa situazione.
Ingegneria genetica ad alto rendimento
Per affrontare questa sfida, il team si è rivolto a un organismo modello più semplice: il batterio Bacillus subtilis, che contiene una versione del complesso della condensina più facile da studiare rispetto alla sua controparte umana. Ciò ha permesso ai ricercatori di eseguire un’ingegneria genetica ad alto rendimento, generando oltre 1000 ceppi batterici mutanti con alterazioni specifiche nelle proteine SMC. Questi mutanti sono stati poi utilizzati in una tecnica chiamata reticolazione chimica per mappare con alta precisione la struttura molecolare del complesso SMC. «Siamo stati in grado di costruire un’immagine molto dettagliata dell’aspetto della macchina SMC batterica e di come sono disposte le sue diverse parti», spiega. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno studiato come i complessi SMC interagiscono con il DNA sia in vitro che nelle cellule batteriche vive. Hanno utilizzato strumenti avanzati come cristallografia, microscopia, ChIP-Seq e Hi-C per osservare dove e come la SMC si lega e agisce sui cromosomi. Questa combinazione di studi strutturali e funzionali ha permesso di avere una visione completa del funzionamento del macchinario SMC. Uno dei risultati più significativi di questa ricerca è stato lo sviluppo di un nuovo modello per l’estrusione degli anelli di DNA, cioè come le SMC si muovono lungo il DNA. «Il motore SMC si muove a grandi passi e può facilmente aggirare ostacoli piccoli e grandi sul DNA», spiega il ricercatore. «Questo è diverso da qualsiasi cosa proposta in precedenza per altri motori del DNA».
Dai batteri alle scoperte
L’impatto di CHROCODYLE va oltre la biologia batterica. Nell’uomo, le proteine SMC malfunzionanti sono legate a disturbi congeniti e spesso mutate nel cancro. Le conoscenze acquisite da questo progetto potrebbero aiutarci a capire gli errori molecolari specifici che causano queste malattie, portando potenzialmente a idee per trattamenti futuri. «Il nostro lavoro potrebbe contribuire a rivelare i difetti molecolari che causano queste malattie e a fornire spunti per potenziali terapie», aggiunge l’autore. Inoltre, la comprensione della macchina SMC nei batteri potrebbe contribuire allo sviluppo di nuovi farmaci per combattere le infezioni batteriche. Queste intuizioni offrono un modo per affrontare la resistenza agli antibiotici, una delle sfide più pressanti per la salute globale di oggi. Infine, il progetto ha anche gettato le basi per future scoperte. Con nuove tecniche come la microscopia crioelettronica, i ricercatori stanno ora risolvendo le strutture SMC-DNA con una risoluzione quasi atomica, confermando e sviluppando i risultati di CHROCODYLE. Questo progresso rappresenta un importante passo avanti nello studio delle macchine molecolari essenziali per la vita.
Parole chiave
CHROCODYLE, proteine SMC, condensina, genetica, ripiegamento del DNA, difetti molecolari
