Il materiale genetico è immagazzinato all’interno delle cellule in strutture chiamate cromosomi, che hanno una sequenza ripetitiva nota come telomero a ciascuna estremità. Le proteine specializzate si legano a queste sequenze per formare un “cappuccio” protettivo che protegge il cromosoma e gli impedisce di fondersi con altri cromosomi. L’enzima telomerasi aiuta anche a mantenere i cromosomi aggiungendo sequenze ripetitive di DNA alle estremità dei telomeri.
Una delle molecole di capping più studiate è una proteina chiamata Cdc13 che si lega a determinati tipi di DNA a filamento singolo nel lievito in erba e forma un complesso con altre due proteine (Stn1 e Ten1) che recluta la telomerasi (Wellinger e Zakian, 2012). Diverse linee di evidenza suggeriscono che questo complesso CST recluta anche un enzima di replicazione del DNA chiamato primasi-Pola, e può regolare l’attività di questo enzima alle estremità dei cromosomi e in altre posizioni nel genoma (Giraud-Panis et al., 2010; Price et al., 2010; Barbero Barcenilla e Shippen, 2019).
Complessi simili sono stati identificati anche in altri eucarioti, compresi i mammiferi, che contengono Stn1, Ten1 e un’altra proteina chiamata CTC1 all’interno del loro complesso CST (Giraud-Panis et al., 2010; Price et al., 2010). Tuttavia, si è dimostrato difficile capire i ruoli svolti dalle diverse proteine nel complesso CST perché le cellule che mancano di una sola di queste proteine lottano per sopravvivere (Figura 1A). Ora, a eLife, Jin-Qiu Zhou e colleghi dell’Accademia cinese delle Scienze e dell’Università di Shanghai-tra cui Zhi – Jing Wu come primo autore-riportano i risultati degli esperimenti che aiutano a migliorare la nostra comprensione del complesso CST (Wu et al., 2020).
Cdc13 e telomerasi sono essenziali per il mantenimento dei cromosomi lineari.
(A) Le cellule di lievito con cromosomi lineari multipli richiedono la proteina di capping Cdc13 per proteggere i loro telomeri e impedire la fusione dei cromosomi. Senza questa proteina queste cellule non possono sopravvivere. (B) Le cellule che hanno un singolo cromosoma lineare possono sopravvivere senza Cdc13 fondendo insieme le estremità del loro cromosoma per formare un anello circolare. C) In assenza dell’enzima telomerasi, le cellule con cromosomi lineari multipli sono in grado di sopravvivere impiegando vie di ricombinazione del DNA che possono amplificare la sequenza dei telomeri o i segmenti di DNA che si trovano tra la cromatina e la sequenza dei telomeri. (D) Le cellule con un singolo cromosoma lineare sopravvivono alla perdita di telomerasi fondendosi insieme per formare un cromosoma circolare usando la ricombinazione omologa, simile a ciò che accade nelle cellule prive della proteina Cdc13.
Credito di immagine: Constance Nugent e Katsunori Sugimoto.
In primo luogo, Wu et al. ha studiato come l’eliminazione del complesso CST influenzasse la vitalità di un ceppo di lievito in erba in cui tutti i suoi 16 cromosomi erano fusi insieme per formare un singolo cromosoma circolare (Shao et al., 2019). Hanno scoperto che la rimozione di CST non ha impedito alle cellule di proliferare o portare a più morti cellulari, anche quando il cromosoma circolare conteneva le sequenze ripetitive di telomeri. Sembra, quindi, che il ruolo principale del complesso CST sia quello di mantenere i cromosomi lineari e di impedire ai cromosomi di fondersi con altri cromosomi e che non sia essenziale per la replicazione delle sequenze interne dei telomeri.
Oltre a formare un anello circolare, i 16 cromosomi del lievito in erba possono anche essere fusi insieme per formare un singolo cromosoma lineare (Shao et al., 2018). Wu et al. ha scoperto che la rimozione del complesso CST riduceva notevolmente la vitalità di queste cellule, ma alcune di queste cellule erano in grado di sopravvivere fondendo le estremità del loro cromosoma lineare per formare un anello circolare (Figura 1B). L’eliminazione individuale dei geni che codificano per le diverse proteine del complesso CST ha rivelato che le cellule prive di Cdc13 mostravano un tasso di fusione più elevato rispetto alle cellule mancanti dei geni per Stn1 e Ten1. Ciò suggerisce che Cdc13 svolge un ruolo dominante nell’inibire la fusione dei cromosomi e che Stn1 e Ten1 contribuiscono alla protezione dei telomeri indipendentemente da Cdc13. Tuttavia, i dettagli di questo meccanismo rimangono ancora poco chiari e richiedono ulteriori indagini.
Nelle cellule wild-type che contengono cromosomi multipli, è raro trovare cromosomi fusi o circolari, anche quando l’attività della telomerasi è stata compromessa: questo perché le cellule possono estendere e mantenere i telomeri utilizzando un meccanismo chiamato ricombinazione diretta dall’omologia che ripara le rotture a doppio filamento nel DNA (Figura 1C). Tuttavia, Wu et al. ha scoperto che la riduzione del numero di cromosomi ha portato a più fusioni rilevate in cellule prive dell’enzima telomerasi. Ciò suggerisce che ridurre il numero di cromosomi aumenta la probabilità che le cellule siano in grado di produrre cromosomi circolarizzati e sopravvivere alla perdita di telomerasi.
Si pensava che la fusione delle due estremità del cromosoma lineare singolare si basasse su un percorso di riparazione del DNA chiamato percorso non omologo end-joining (NHEJ) (Haber, 2016). Tuttavia, Wu et al. dimostrato che in assenza di telomerasi, la fusione cromosomica dipendeva da Rad52, che svolge un ruolo critico nella ricombinazione omologa delle rotture del DNA nel lievito in erba (Figura 1D). È possibile che le cellule utilizzate in questo studio si basino sulla via Rad52 per la circolarizzazione cromosomica perché il singolo cromosoma ha una sequenza di telomeri invertita vicino a un’estremità del cromosoma. Se tale sequenza venisse cancellata, le cellule potrebbero subire una fusione end-to-end attraverso la via NHEJ che è più comune nelle cellule umane (Palm e de Lange, 2008). Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che questo risultato non era dovuto a una perdita di attività NHEJ e che questo percorso è in grado di fondere plasmidi linearizzati in cellule di lievito in erba.
Il lavoro di Wu et al. fornisce nuove informazioni su come i cromosomi si fondono insieme e su come i telomeri vengono mantenuti indipendentemente dall’enzima telomerasi. Inoltre, i risultati di questo studio potrebbero andare oltre il lievito e migliorare la nostra comprensione di varie sindromi mediche umane causate dalle estremità dei cromosomi che si fondono per formare forme ad anello (Pristyazhnyuk e Menzorov, 2018).