Riparazione del DNA tramite ricombinazione

Nelle cellule eucariotiche sono presenti due sistemi di ricombinazione deputati alla riparazione delle rottura a doppia elica (Double Strand Breaks, DSB), un danno indotto da radiazioni ionizzanti, radicali liberi e mutageni chimici. La presenza di una rottura a doppia elica innesca una complessa cascata di eventi finalizzati al blocco del ciclo cellulare e al reclutamento di fattori di riparazione. Uno degli iniziatori del processo è il prodotto del gene ATM, una chinasi che mediante p53 riesce ad arrestare il ciclo cellulare  in G1 e causa la fosforilazione dell'istone H2AX nel dominio di DNA vicino alla rottura a doppia elica. La riparazione quindi può avvenire con due diverse modalità: la ricombinazione omologa (Homologous Recombination, HR) e la ricombinazione non omologa (Non Homologous End Joining, giunzioni delle estremità non omologhe, NHEJ). Questi due meccanismi competono l'uno con l'altro, ma si è visto che nelle fasi S e G2 del ciclo cellulare prevale in genere la ricombinazione omologa mentre nella fase G1 la ricombinazione non omologa. Nell'ambito della HR si ha prima il processamento delle estremità generate dalla rottura a doppia elica ad opera del complesso RAD50-MRE11-NBS1, la cui attività esonucleasica porta alla comparsa di estremità 3' a singolo filamento. A questo punto, la proteina RPA promuove il reclutamento a livello di questi tratti di altre proteine che polimerizzano sul filamento di DNA formando strutture nucleoproteiche capaci di ricercare le regioni omologhe con cui appaiarsi. Una volta accaduto questo, RAD51 catalizza lo scambio tra il filamento di DNA e la stessa sequenza presente nella molecola omologa di DNA a doppia elica che viene usata come stampo per ripristinare l'integrità del DNA tramite sintesi della regione mancante. Il tratto neosintetizzato può svolgersi dall'elica omologa e tornare ad appaiarsi con il filamento che conteneva l'altra rottura generata dal DSB. Comunque, mentre l'HR è una modalità di riparazione che sostanzialmente non introduce errori in quanto usa l'informazione genetica contenuta nel cromatidio fratello o nel cromosoma omologo a quello danneggiato, il NHEJ è un processo che può causare delezioni più o meno estese, e quindi indurre mutazioni nel genoma, in quanto lega direttamente le estremità dei due filamenti, talvolta dopo parziale degradazione. Nell'ambito del HHEJ, i DSB sono riconosciuti dall'eterodimero Ku80-Ku70 che reclutando la proteina DNA-PKcs favoriscono la segnalazione del danno. Le estremità generate dal danno vengono infine saldate dal complesso XRCC4/DNA ligasi IV. La mancata o errata riparazione dei DSB può causare perdita di cromosomi, traslocazioni, delezioni e in genere favorire la cancerogenesi. Tra le diverse patologie ad eredità autosomica recessiva sono associate a difetti nella riparazione dei DSB: l'atassia telangiectasia (AT), l'atassia telangiectasia-like (AT-LD) e la sindrome di Nijemegen, che sono rispettivamente dovute a mutazioni nei geni ATM, MRE11 e NBS1. Queste malattie sono tutte caratterizzate da predisposizione allo sviluppo di tumori, in particolare linfomi, elevata sensibilità alle radiazioni ionizzanti, immunodeficienza e instabilità cromosomica.