DNA o ADN
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Sigla dell'acido desossiribonucleico (Desoxyribose Nucleic Acid), composto chimico macromolecolare appartenente al gruppo degli acidi nucleici. È contenuto nel nucleo delle cellule dove svolge la funzione di portatore dell'informazione genetica.
Biologia: generalità
La biologia moderna ha avuto origine con la scoperta della struttura a doppia elica del DNA e questa struttura suggerisce molti aspetti delle sue importanti funzioni. Il DNA è formato da due catene polinucleotidiche (i nucleotidi sono i singoli componenti della catena) che si avvitano una sull'altra con una struttura a elica. Lo scheletro esterno è costituito da una catena ripetuta zucchero-fosfato e la parte codificante, costituita dalle basi adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T) si trova all'interno. Le basi si appaiano tra loro con una regola precisa, adenina con timina e guanina con citosina. La forma delle basi è molto piatta e sono disposte in maniera parallela tra loro, come i gradini di una scala a chiocciola. Le due eliche sono tenute insieme attraverso interazioni deboli che si chiamano “legami a idrogeno”, costituiti tra le estremità di ciascuna base. A e T formano due legami idrogeno, G e C tre legami, che rendono questo appaiamento più stabile. In un DNA con un grosso contenuto di G e C le due eliche si separeranno più difficilmente che in un DNA con molte A e T. Il diametro di una molecola è ca. 2,5 nm e la distanza tra due basi è di ca. 0,34 nm e l'elica forma un giro completo ogni 3,4 nm, quindi ci sono ca. 10 basi per ogni giro di elica. Esistono varie strutture del DNA che si definiscono come A, B e Z. La A è la meno frequente e rappresenta il DNA quando non è in soluzione, è più compatta e contiene 11 basi per giro. La B è la più frequente ed è quella a cui ci si riferisce in generale, rappresenta il DNA in una soluzione acquosa e forma al suo esterno due solchi di diverse dimensioni chiamati solco maggiore e solco minore. Queste regioni sono le zone dove avviene il riconoscimento da parte di varie proteine ed enzimi delle sequenze specifiche del DNA e rappresentano le zone dove il DNA viene “letto”. Oltre alla forma B dall'elica destrorsa, ne esiste una terza denominata Z con un'elica sinistrorsa. Questa struttura si può formare in brevi tratti costituiti da una alternanza delle basi G e C ripetute varie volte. Si pensa che possa avere delle funzioni strutturali e di informazione in alcuni processi cellulari e inoltre una sua eccessiva presenza può causare malattie autoimmuni. Nonostante la moltitudine dei legami formati dall'appaiamento delle basi renda il DNA una molecola piuttosto stabile, tuttavia essa è libera di muoversi e flettersi lungo il suo asse maggiore e questa flessibilità le permette di piegarsi e modellarsi attorno a strutture proteiche. Inoltre in alcune sequenze, a causa del particolare ingombro nello spazio delle basi e dell'influenza che ciascuna di esse ha sulla base adiacente, il DNA presenta una conformazione naturalmente piegata. Questo tipo di struttura è particolarmente importante nella formazione della fibra di cromatina, costituita da DNA e istoni, e in quella di complessi proteici che regolano la trascrizione dell'RNA. Le due catene del DNA si possono separare e in questa maniera la molecola si denatura. La separazione avviene in molti processi biologici, in particolare durante la replicazione e la trascrizione. La denaturazione del DNA può essere indotta chimicamente o con il calore e questa metodologia è molto utile per analizzare varie funzioni di questa molecola. Generalmente il DNA di tutti i Batteri e quello di molti virus ha una struttura circolare e anche nel caso di organismi superiori, compreso l'uomo, il DNA cromosomico è costituito da varie anse di DNA circolare ancorate a strutture proteiche. Il suo comportamento nello spazio quindi è molto simile a quello del DNA circolare e gli permette di assumere diverse conformazioni nello spazio che vengono definite come “topoisomeri” (dal greco topos = spazio). Nella cellula esistono degli enzimi che regolano queste strutture e si chiamano DNA-topoisomerasi. I parametri topologici del DNA vengono definiti in base alle regole matematiche della topologia e sono: L, il “numero di legame”, che rappresenta il numero di volte che un'elica passa intorno all'altra, in un DNA di lunghezza definita (poiché ogni giro di elica è costituito da dieci basi, il numero di legame di una molecola lunga 1000 basi, sarà 100); W, “writhe” che rappresenta il numero di volte che il DNA è annodato su se stesso nello spazio; T, “twist”, che rappresenta il passo dell'elica. Queste grandezze sono collegate tra loro dall'equazioneL= T+W. Se il DNA viene srotolato e quindi il suo T diminuisce, di conseguenza aumenterà il W, vale a dire la molecola assumerà una conformazione superavvolta. Il DNA, in natura, ha nella maggior parte dei casi una struttura superavvolta.
Biologia: DNA-topoisomerasi
Il DNA non è una struttura statica, ma è libera di muoversi nello spazio fluido della cellula, assumendo varie conformazioni topologiche, come annodarsi e avvolgersi su se stesso. Inoltre tutti i processi cellulari che comportano uno scorrimento di complessi proteici sul DNA alterano la sua struttura nello spazio, torcendolo, srotolandolo e creando delle regioni di superavvolgimento del tutto simili a quelle che può assumere una corda o un elastico. Questa struttura del DNA nello spazio viene controllata e regolata da una serie di enzimi che si chiamano DNA- topoisomerasi. Esistono due classi di questi enzimi, definite in base al loro meccanismo d'azione. Gli enzimi di classe I sono costituiti generalmente da un monomero e sono capaci di introdurre una rottura su un singolo filamento della doppia elica del DNA, rilassando il DNA di un giro alla volta. La reazione non richiede un apporto di energia sotto forma di ATP. Gli enzimi di classe II sono costituiti da due o più subunità e sono capaci di introdurre tagli su entrambi i filamenti della doppia elica del DNA per srotolarlo. In questo caso la reazione procede solo in presenza di ATP. Ogni reazione di topoisomerizzazione, sia essa dovuta a enzimi di classe I o classe II, può essere divisa in tre momenti. Il primo consiste nella rottura del filamento, o dei filamenti, e nella formazione di un legame covalente tra l'enzima e il DNA. Il secondo consiste nel passaggio del filamento, o dei filamenti, intatti attraverso il sito di rottura. Nel terzo e ultimo momento avviene la saldatura covalente dei filamenti precedentemente tagliati. L'energia necessaria a ricostituire la catena polinucleotidica intatta è conservata nel legame tra l'enzima e il filamento interrotto e negli enzimi di tipo II, che richiedono ATP come fattore energetico, questa molecola viene usata come induttore di grossi cambi conformazionali. Negli ultimi anni del sec. XX la ricerca sulle topoisomerasi ha avuto un enorme sviluppo grazie a studi di cristallografia che hanno contribuito in maniera essenziale alla verifica dei modelli proposti per il loro meccanismo di azione. Tuttavia è stata individuata la struttura cristallografica solo di alcuni frammenti proteici di questi enzimi e probabilmente questo è dovuto alla loro complessità e flessibilità che rende difficile la cristallizzazione dell'enzima intero. Nel caso della topoisomerasi II di lievito, il frammento cristallizzato rappresenta la parte che contiene il sito attivo che assume una forma a tenaglia. Questo enzima infatti funziona come una vera e propria tenaglia che intrappola il DNA al suo interno aprendosi nella parte superiore, poi permette il passaggio di un'altra regione di DNA a doppio filamento nell'apertura prodotta. Alla fine della reazione la parte inferiore dell'enzima si apre come un cancello e il filamento trasportato attraverso la tenaglia può uscire. Questa serie complessa di reazioni viene provocata da cambi conformazionali dovuti alla molecola di ATP che si lega nella parte N terminale dell'enzima. Le DNA-topoisomerasi hanno assunto un'importanza primaria nella ricerca oncologica perché molti farmaci antitumorali hanno come target specifico questi enzimi, e quindi lo sviluppo di farmaci più efficienti, che superino la farmaco-resistenza, è uno degli obiettivi primari della ricerca di nuovi farmaci antitumorali. Nel 2015 Nature Chemical Bilogy ha pubblicato la notizia dell’individuazione, da parte di un gruppo di ricercatori di Cambridge, della formilcitosina, una sostanza che entra in composizione degli acidi nucleici, probabilmente capace di modificare la forma tridimensionale del DNA: nata come una mutazione transitoria della 'lettera' C (citosina), è poi diventata un mattone stabile del codice genetico dei mammiferi.
In anni recenti si segnalano i progressi della ricerca nell’ambito del CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) che consente la modificazione genetica degli organismi. Diversi studi hanno portato alla scoperta delle funzioni principali dei sistemi CRISPR-Cas. Nel 2007 venne pubblicata la prima evidenza sperimentale che comprovava il ruolo di CRISPR nell'immunità adattativa. Nel 2015 è stata scoperta Cpf1, una nucleasi appartenente al sistema CRISPR/Cpf1 nel batterio Francisella novicida. Nel 2017 guidati da David Liu, scienziati di Harvard, ha usato CRISPR per individuare determinati geni nel DNA che servirà poi agli Adenine Base editor (modificatori della base Adenina) per sostituire in maniera puntuale una base azotata. Nel gennaio 2018 un team dell’Università di Trento ha annuncuato un'ulteriore evoluzione della CRISPR-Cas9 in cui Cas9 è stata fatta sviluppare in vitro con dei lieviti. Gli esperimenti sono stati condotti con tecnica di sequenziamento genome wide.