Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Enzimi di Restrizione


Molecola del Mese di agosto 2000

I Batteri si Difendono
I batteri sono continuamente attaccati dai virus batteriofagi, come il batteriofago phiX174 descritto come molecola del mese nel febbraio 2000. Per proteggere sè stessi molti batteri hanno sviluppato un metodo per tagliare ogni molecola di DNA estraneo, come quella di un fago che li sta infettando. Questi batteri sintetizzano un'endonucleasi, un enzima che taglia il DNA, che rimane nel citoplasma del batterio pronto a colpire il DNA del fago. Queste endonucleasi sono chiamate "enzimi di restrizione" perchè limitano l'infezione dei batteriofagi (restriction significa limitazione in inglese).

Forbici Molecolari
Ogni tipo di enzima di restrizione riconosce una singola sequenza di DNA e la taglia con precisione in un punto. Per esempio, l'enzima mostrato qui a lato, EcoRI (eco erre uno), taglia la sequenza GAATTC, tagliando tra la G e la A. Naturalmente le endonucleasi vaganti possono essere pericolose, così i batteri proteggono il proprio DNA modificandolo con dei gruppi metilici. Questi gruppi vengono aggiunti alle basi azotate adenina o citosina (a seconda del tipo di batterio) nella fenditura maggiore del DNA. I gruppi metilici impediscono agli enzimi di restrizione di legarsi al DNA, ma non ostacolano la normale lettura e duplicazione dell'informazione genetica custodita nel DNA. Il DNA di un batteriofago che sta attaccando il batterio non possiede questi gruppi protettori metilici e viene distrutto. Ogni tipo di batterio ha un enzima di restrizione (o anche più di uno) che taglia una sequenza specifica del DNA, accoppiata con uno specifico enzima metil-trasferasi che protegge la stessa sequenza nel genoma del batterio.

Terminazioni Appiccicose
Il rapido sviluppo delle biotecnologie è stato reso possibile dalle scoperta degli enzimi di restrizione nei primi anni 1950. Questi tagliano il DNA in locazioni precise. Un altro enzima, la DNA ligasi può essere usato per ricomporre i frammenti nell'ordine desiderato. Questi due enzimi, insieme, permettono ai ricercatori di costruire nuove sequenze genomiche. Per esempio, i ricercatori possono creare batteri che sintetizzano l'insulina o l'ormone della crescita, o aggiungere geni per la resistenza a certe malattie alle piante coltivate in agricoltura.
Una proprietà interessante degli enzimi di restrizione semplifica il lavoro di taglio e assemblaggio. In genere gli enzimi di restrizione riconoscono una sequenza simmetrica di DNA, come quella riconosciuta da EcoRI:



Notate che la sequenza superiore è la stessa di quella inferiore, letta alla rovescia. Quando l'enzima taglia la catena tra G e A, lascia due catene sovrapponibili:



Queste vengono chiamate "terminazioni appiccicose" perchè le coppie di basi che si formano quando le due terminazioni si sovrappongono sono complementari e quindi legano insieme le due catene anche se la sequenza è ancora tagliata. Le terminazioni appiccicose sono una componente essenziale dell'ingegneria genetica, perchè permettono ai ricercatori di tagliare piccoli pezzi di DNA e di legarli nell'ordine desiderato, quello dato dalle terminazioni appiccicose che si corrispondono.

Esplorando la Struttura
Negli archivi PDB ci sono le strutture di molti enzimi di restrizione. Qui è mostrato un altro esempio preso da Escherichia coli, EcoRV. La struttura in alto, presa dall'archivio PDB 1rva, mostra l'enzima legato ad un corto frammento di DNA. La freccia mostra il gruppo fosfato che sarà tagliato. La figura in basso, presa dall'archivio PDB 1rvc, mostra la struttura dopo che il DNA è stato tagliato. Poichè è stata inserita una molecola d'acqua, ora ci sono due atomi di ossigeno vicini, ma non legati tra loro, lì dove nel DNA intatto c'era un solo atomo di ossigeno legato.

In tutte e due le figure, la proteina è mostrata con una rappresentazione "backbone" cioè come un tubo sottile, mentre una delle due catene del DNA è colorata in verde. Queste figure sono state create con Chime. Anche voi potete creare immagini simili cliccando sui codici di accesso PDB qui sopra, e poi scegliendo una voce nel menù "View Structure".