El estudio, publicado en la revista Nature Structural and Molecular Biology , también arroja luz sobre el mecanismo de acción de algunos fármacos de quimioterapia existentes.

"Creemos que esta investigación resuelve el misterio de cómo se rompe la doble hebra del ADN y cómo se conecta la envoltura nuclear para su reparación en las células humanas", dijo el profesor Karim Mekhail, co-investigador principal del estudio y profesor de medicina de laboratorio y patobiología en la U de Facultad de Medicina Temerty de T.

"También permite que muchos descubrimientos previamente publicados en otros organismos sean aplicables en el contexto de la reparación del ADN humano, lo que debería ayudar a que la ciencia avance aún más rápido".

Las roturas de la doble cadena del ADN surgen cuando las células se exponen a radiación y productos químicos, y a través de procesos internos como la replicación del ADN. Son uno de los tipos más graves de daño al ADN porque pueden detener el crecimiento celular o acelerarlo, promoviendo el envejecimiento y el cáncer.

El nuevo descubrimiento, realizado en células humanas y en colaboración con el profesor Razqallah Hakem, investigador de University Health Network y profesor de Temerty Medicine, amplía la investigación previa sobre el daño del ADN en levadura realizada por Mekhail y otros científicos.

En 2015, Mekhail y sus colaboradores demostraron cómo las proteínas motoras en lo profundo del núcleo de las células de levadura transportan roturas de doble hebra a complejos proteicos "similares a los de un hospital de ADN" incrustados en la envoltura nuclear en el borde del núcleo.

Otros estudios descubrieron mecanismos relacionados durante la reparación del ADN en moscas y otros organismos. Sin embargo, los científicos que exploran mecanismos similares en células humanas y de otros mamíferos informaron de poca o ninguna movilidad del ADN en la mayoría de las roturas.

"Sabíamos que las proteínas de la envoltura nuclear eran importantes para la reparación del ADN en la mayoría de estos organismos, por lo que nos preguntamos cómo explicar la movilidad limitada del ADN dañado en las células de los mamíferos", dice Mekhail.

La respuesta es a la vez sorprendente y elegante.

Cuando se daña el ADN dentro del núcleo de una célula humana, se forma una red específica de filamentos de microtúbulos en el citoplasma alrededor del núcleo y empuja la envoltura nuclear. Esto provoca la formación de pequeños tubos o túbulos que llegan hasta el núcleo y atrapan la mayoría de las roturas de doble hebra.

"Es como si unos dedos empujaran un globo", dice Mekhail. "Cuando aprietas un globo, tus dedos forman túneles en su estructura, lo que obliga a algunas partes del exterior del globo a entrar dentro de sí".

Investigaciones adicionales realizadas por los autores del estudio detallaron varios aspectos de este proceso. Las enzimas llamadas quinasas de respuesta al daño del ADN y tubulina acetiltransferasa son los principales reguladores del proceso y promueven la formación de túbulos.

Las enzimas depositan una marca química en una parte específica de los filamentos de los microtúbulos, lo que hace que recluten pequeñas proteínas motoras y empujen la envoltura nuclear. En consecuencia, los complejos proteicos que promueven la reparación empujan la envoltura profundamente hacia el núcleo, creando puentes para evitar las roturas del ADN.

"Esto garantiza que el núcleo experimente una forma de metamorfosis reversible, lo que permite que la envoltura se infiltre temporalmente en el ADN por todo el núcleo, capturando y reconectando el ADN roto", dice Mekhail.

Los hallazgos tienen implicaciones importantes para algunos tratamientos contra el cáncer.

Las células normales utilizan los túbulos de la envoltura nuclear para reparar el ADN, pero las células cancerosas parecen necesitarlos más. Para explorar el impacto potencial del mecanismo, el equipo analizó datos que representan a más de 8.500 pacientes con diversos cánceres. La necesidad era visible en varios cánceres, incluido el cáncer de mama triple negativo, que es muy agresivo.

"Se está realizando un gran esfuerzo para identificar nuevas vías terapéuticas para los pacientes con cáncer, y este descubrimiento es un gran paso adelante", afirma Hakem, científico principal del Centro Oncológico Princess Margaret de la UHN y profesor del departamento de biofísica médica y del departamento de biofísica médica de la UHN. de medicina de laboratorio y patobiología.

"Hasta ahora, los científicos no tenían claro el impacto relativo de la envoltura nuclear en la reparación del ADN dañado en las células humanas. Nuestra colaboración reveló que apuntar a los factores que modulan la envoltura nuclear para la reparación del ADN dañado frena eficazmente el desarrollo del cáncer de mama", dice Hakem. .

En el agresivo cáncer de mama triple negativo, hay niveles elevados de túbulos, probablemente porque tienen más daño en el ADN que las células normales. Cuando los investigadores eliminaron los genes necesarios para controlar los túbulos, las células cancerosas fueron menos capaces de formar tumores.

Un medicamento que se usa para tratar el cáncer de mama triple negativo es una clase de medicamentos llamados inhibidores de PARP. PARP es una enzima que se une y ayuda a reparar el ADN dañado. Los inhibidores de PARP impiden que la enzima realice la reparación, evitando que los extremos de una rotura de la doble hebra del ADN en las células cancerosas se vuelvan a conectar entre sí.

Las células cancerosas acaban uniendo dos extremos rotos que no forman parte del mismo par. A medida que se crean más pares no coincidentes, las estructuras de ADN resultantes se vuelven imposibles de copiar y dividir para las células.

"Nuestro estudio muestra que la capacidad del fármaco para desencadenar estos desajustes depende de los túbulos. Cuando hay menos túbulos, las células cancerosas son más resistentes a los inhibidores de PARP", afirma Hakem.

Las asociaciones entre investigadores de distintos campos fueron esenciales para los hallazgos en las células cancerosas. El estudio subraya la importancia de la colaboración interdisciplinaria, afirma Mekhail.

"La capacidad intelectual detrás de cada proyecto es crucial. Cada miembro del equipo cuenta. Además, cada colaborador adecuado agregado al proyecto de investigación es similar a obtener otro doctorado en una nueva especialidad; es poderoso", afirma.

Mekhail señala que el descubrimiento también es relevante para condiciones de envejecimiento prematuro como la progeria. Esta rara condición genética causa un envejecimiento rápido dentro de las dos primeras décadas de la vida, lo que comúnmente conduce a una muerte prematura.

La progeria está vinculada a un gen que codifica la lámina A. Las mutaciones en este gen reducen la rigidez de la envoltura nuclear. El equipo descubrió que la expresión de la lámina A mutante es suficiente para inducir los túbulos, que los agentes que dañan el ADN estimulan aún más. El equipo cree que incluso una presión débil sobre la envoltura nuclear estimula la creación de túbulos en las células que envejecen prematuramente.

Los hallazgos sugieren que en la progeria, la reparación del ADN puede verse comprometida por la presencia de demasiados túbulos o de una mala regulación. Los resultados del estudio también tienen implicaciones para muchas otras condiciones clínicas, afirma Mekhail.

"Es apasionante pensar hacia dónde nos llevarán estos hallazgos a continuación", afirma Mekhail. "Tenemos colegas excelentes y aprendices increíbles aquí en Temerty Medicine y en nuestros hospitales asociados. Ya estamos trabajando para seguir este descubrimiento y utilizar nuestro trabajo para crear terapias novedosas".