Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Structural and Molecular Biology , fa luce anche sul meccanismo d'azione di alcuni farmaci chemioterapici esistenti.

"Pensiamo che questa ricerca risolva il mistero di come il doppio filamento del DNA si rompe e l'involucro nucleare si collega per la riparazione nelle cellule umane", ha affermato il professor Karim Mekhail, co-investigatore principale dello studio e professore di medicina di laboratorio e patobiologia presso l'Università di Washington. T's Temerty Facoltà di Medicina.

"Rende inoltre applicabili molte scoperte precedentemente pubblicate su altri organismi nel contesto della riparazione del DNA umano, il che dovrebbe aiutare la scienza a muoversi ancora più velocemente."

Le rotture del doppio filamento del DNA si verificano quando le cellule sono esposte a radiazioni e sostanze chimiche e attraverso processi interni come la replicazione del DNA. Sono uno dei tipi più gravi di danno al DNA perché possono bloccare la crescita cellulare o accelerarla, favorendo l'invecchiamento e il cancro.

La nuova scoperta, fatta su cellule umane e in collaborazione con il professor Razqallah Hakem, ricercatore presso University Health Network e professore presso Temerty Medicine, estende la ricerca precedente sui danni al DNA nel lievito condotta da Mekhail e altri scienziati.

Nel 2015, Mekhail e collaboratori hanno mostrato come le proteine ​​motrici nella profondità del nucleo delle cellule di lievito trasportano le rotture del doppio filamento ai complessi proteici "simili a quelli ospedalieri del DNA" incorporati nell'involucro nucleare ai margini del nucleo.

Altri studi hanno scoperto meccanismi correlati durante la riparazione del DNA nelle mosche e in altri organismi. Tuttavia, gli scienziati che hanno esplorato meccanismi simili nelle cellule umane e in altri mammiferi hanno riscontrato una mobilità del DNA scarsa o nulla per la maggior parte delle rotture.

"Sapevamo che le proteine ​​dell'involucro nucleare erano importanti per la riparazione del DNA nella maggior parte di questi organismi, quindi ci siamo chiesti come spiegare la mobilità limitata del DNA danneggiato nelle cellule dei mammiferi", afferma Mekhail.

La risposta è sorprendente ed elegante.

Quando il DNA all'interno del nucleo di una cellula umana viene danneggiato, nel citoplasma attorno al nucleo si forma una rete specifica di filamenti di microtubuli che preme sull'involucro nucleare. Ciò provoca la formazione di minuscoli tubi, o tubuli, che raggiungono il nucleo e catturano la maggior parte delle rotture del doppio filamento.

"È come se le dita spingessero su un palloncino", dice Mekhail. "Quando schiacci un palloncino, le tue dita formano dei tunnel nella sua struttura, che costringono alcune parti della parte esterna del palloncino al suo interno."

Ulteriori ricerche degli autori dello studio hanno dettagliato diversi aspetti di questo processo. Gli enzimi chiamati chinasi di risposta al danno del DNA e tubulina acetiltransferasi sono i regolatori principali del processo e promuovono la formazione dei tubuli.

Gli enzimi depositano un marchio chimico su una parte specifica dei filamenti dei microtubuli, che li induce a reclutare minuscole proteine ​​motrici e a spingere sull'involucro nucleare. Di conseguenza, i complessi proteici che promuovono la riparazione spingono l'involucro in profondità nel nucleo, creando ponti verso le rotture del DNA.

"Ciò garantisce che il nucleo subisca una forma di metamorfosi reversibile, consentendo all'involucro di infiltrarsi temporaneamente nel DNA in tutto il nucleo, catturando e ricollegando il DNA rotto", afferma Mekhail.

I risultati hanno implicazioni significative per alcuni trattamenti contro il cancro.

Le cellule normali utilizzano i tubuli dell’involucro nucleare per riparare il DNA, ma le cellule tumorali sembrano averne maggiormente bisogno. Per esplorare il potenziale impatto del meccanismo, il team ha analizzato i dati che rappresentano oltre 8.500 pazienti affetti da vari tumori. La necessità era evidente in diversi tumori, compreso il cancro al seno triplo negativo, che è altamente aggressivo.

"C'è un enorme sforzo per identificare nuove strade terapeutiche per i malati di cancro, e questa scoperta è un grande passo avanti", dice Hakem, uno scienziato senior presso il Princess Margaret Cancer Center dell'UHN e professore nel dipartimento di biofisica medica e dipartimento dell'Università di T. di medicina di laboratorio e patobiologia.

"Fino ad ora, gli scienziati non avevano ben chiaro l'impatto relativo dell'involucro nucleare nella riparazione del DNA danneggiato nelle cellule umane. La nostra collaborazione ha rivelato che prendere di mira i fattori che modulano l'involucro nucleare per la riparazione del DNA danneggiato frena efficacemente lo sviluppo del cancro al seno", afferma Hakem. .

Nel cancro al seno aggressivo triplo negativo, ci sono livelli elevati di tubuli, probabilmente perché hanno più danni al DNA rispetto alle cellule normali. Quando i ricercatori hanno eliminato i geni necessari per controllare i tubuli, le cellule tumorali erano meno capaci di formare tumori.

Un farmaco usato per trattare il cancro al seno triplo negativo è una classe di farmaci chiamati inibitori PARP. PARP è un enzima che si lega e aiuta a riparare il DNA danneggiato. Gli inibitori PARP impediscono all'enzima di eseguire la riparazione, impedendo alle estremità di una rottura del doppio filamento del DNA nelle cellule tumorali di riconnettersi tra loro.

Le cellule tumorali finiscono per unirsi a due estremità rotte che non fanno parte della stessa coppia. Man mano che vengono create più coppie non corrispondenti, le strutture di DNA risultanti diventano impossibili da copiare e dividere per le cellule.

"Il nostro studio mostra che la capacità del farmaco di innescare questi disallineamenti si basa sui tubuli. Quando sono presenti meno tubuli, le cellule tumorali sono più resistenti agli inibitori della PARP", afferma Hakem.

I partenariati tra ricercatori in campi distinti sono stati essenziali per le scoperte sulle cellule tumorali. Lo studio sottolinea l'importanza della collaborazione interdisciplinare, afferma Mekhail.

"La potenza del cervello dietro ogni progetto è fondamentale. Ogni membro del team conta. Inoltre, ogni giusto collaboratore aggiunto al progetto di ricerca è come guadagnare un altro dottorato in una nuova specialità; è potente", afferma.

Mekhail osserva che la scoperta è rilevante anche per le condizioni di invecchiamento precoce come la progeria. Questa rara condizione genetica provoca un rapido invecchiamento entro i primi due decenni di vita, portando comunemente alla morte prematura.

La progeria è legata a un gene che codifica per la lamina A. Le mutazioni in questo gene riducono la rigidità dell'involucro nucleare. Il team ha scoperto che l'espressione della lamina A mutante è sufficiente per indurre i tubuli, che gli agenti dannosi per il DNA hanno ulteriormente potenziato. Il team ritiene che anche una debole pressione sull'involucro nucleare stimoli la creazione di tubuli nelle cellule che invecchiano prematuramente.

I risultati suggeriscono che nella progeria, la riparazione del DNA può essere compromessa dalla presenza di tubuli troppi o scarsamente regolati. I risultati dello studio hanno implicazioni anche per molte altre condizioni cliniche, afferma Mekhail.

"È emozionante pensare a dove questi risultati ci porteranno in futuro", afferma Mekhail. "Abbiamo colleghi eccellenti e tirocinanti incredibili qui a Temerty Medicine e nei nostri ospedali partner. Stiamo già lavorando per seguire questa scoperta e utilizzare il nostro lavoro per creare nuove terapie."