La sopravvivenza e la proliferazione cellulare dipendono dalla duplicazione fedele dell’enorme patrimonio informativo racchiuso nel DNA. La replicazione del DNA, processo con cui il genoma viene copiato in modo che ogni cellula figlia erediti un corredo genetico equivalente, è intrinsecamente precisa e coordinata. In condizioni fisiologiche, la replicazione procede secondo un modello semiconservativo, con la formazione di forche di replicazione che avanzano a velocità elevate e con alta accuratezza, grazie alla complementarità delle basi e all’azione delle polimerasi replicative dotate di attività correttiva 3’→5’ esonucleasica. L’errore per nucleotide inserito, prima dei controlli accessori, è basso e viene ulteriormente ridotto da sistemi post-replicativi, fino a raggiungere probabilità di errore per base dell’ordine di \(10^{-9}\).

Conservare l’informazione genetica non significa solo copiarla correttamente, ma anche preservarne l’integrità nel tempo. Il DNA è una molecola chimicamente reattiva esposta a lesioni continue, imputabili sia a sorgenti esogene (radiazioni ultraviolette, radiazioni ionizzanti, mutageni ambientali) sia a fattori endogeni (specie reattive dell’ossigeno, deaminazioni spontanee, depurinazioni, errori di replicazione residui). Per limitare l’accumulo di danni, le cellule hanno evoluto un articolato apparato di sorveglianza e riparo, integrato con i punti di controllo del ciclo cellulare, che rileva le alterazioni, arresta temporaneamente la progressione del ciclo e coordina le operazioni di correzione:

• Meccanismi di accuratezza intrinseca della replicazione: selezione corretta della base appaiata, proofreading 3’→5’ delle DNA polimerasi, controllo della processività mediato da clamp e loader;
• Riparo delle basi alterate: riparazione per escissione di basi (BER) per deaminazioni e ossidazioni, e riparazione per escissione di nucleotidi (NER) per dimeri di pirimidina e lesioni ingombranti;
• Correzione degli appaiamenti errati: mismatch repair che riconosce e rimuove inserzioni, delezioni e mismatches sfuggiti al proofreading;
• Riparo delle rotture del doppio filamento: ricombinazione omologa, accurata ma dipendente da una copia intatta, e giunzione non omologa delle estremità (NHEJ), più rapida ma potenzialmente mutagena;
• Risposte tollerogene: sintesi translesione mediata da polimerasi specializzate che consentono di oltrepassare lesioni bloccanti a costo di maggiore errore.

Nonostante tali barriere, talvolta si instaurano cambiamenti permanenti della sequenza, ossia mutazioni. Molte sono neutre, alcune apportano vantaggi, altre risultano dannose. Un vantaggio può consistere, per esempio, nell’acquisizione di capacità metaboliche che permettono a un microrganismo di utilizzare una nuova fonte di carbonio in un ambiente competitivo; all’opposto, in organismi complessi le mutazioni possono perturbare il controllo della proliferazione cellulare e contribuire all’insorgenza di neoplasie. Le variazioni nella sequenza del DNA, quando non compromettenti, sostengono la diversità tra individui della stessa specie (Figura 03.01-01) e, accumulandosi nel corso di milioni di anni, alimentano la divergenza evolutiva tra specie.

Poiché l’insorgenza delle mutazioni è per sua natura stocastica e il genoma contiene regioni con funzioni altamente vincolate, è statisticamente più probabile che un’alterazione sia deleteria piuttosto che vantaggiosa. Nella specie umana ciò si riflette nell’ampio spettro di patologie monogeniche e poligeniche su base mutazionale, tra cui il cancro. La capacità di minimizzare la frequenza e le conseguenze dei danni al DNA, attraverso una combinazione di accuratezza replicativa, sistemi di riparo e risposte di checkpoint, risulta quindi cruciale per la vitalità cellulare e per la stabilità genetica delle popolazioni. In assenza di tali reti molecolari di controllo e intervento, la persistenza stessa della vita multicellulare sarebbe altamente improbabile.

I complessi proteici coinvolti nella duplicazione e nel ripristino del DNA operano con straordinaria efficienza e coordinazione, realizzando processi rapidi e altamente selettivi mediante strategie enzimatiche e regolative finemente integrate.

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Differenze genetiche

Le differenze a livello del DNA possono produrre le variazioni che sono alla base delle differenze tra gli individui della stessa specie, anche all’interno della stessa famiglia. Durante l’evoluzione, questi cambiamenti genetici danno origine alle differenze che distinguono una specie dall’altra.

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