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

DNA


Molecola del Mese di Novembre 2001

DNA
Ognuna delle cellule nel nostro corpo contiene circa 1.5 gigabyte di informazioni genetiche, una quantità di informazioni che riempirebbe due CD ROM o un piccolo hard disk. Sorprendentemente, quando viene introdotta in un'opportuna cellula uovo, una quantità di informazioni così modesta è sufficiente a costruire un intero essere umano in grado di vivere, respirare e pensare. Attraverso gli sforzi del progetto internazionale per la sequenziazione del genoma umano, ora queste informazioni le possiamo leggere tutti. Insieme alla maggior parte della comunità di ricerca biologica, ci possiamo meravigliare della complessità di queste informazioni e possiamo tentare di capirne il significato. Nello stesso tempo, possiamo meravigliarci della loro semplicità rispetto alla grande complessità del corpo umano.

Memoria a sola lettura
Il DNA è una memoria a sola lettura, conservata al sicuro nella cellula. L'informazione genetica viene immagazzinata in modo ordinato nei filamenti di DNA. Il DNA è composto da un lungo filamento lineare di milioni di nucleotidi. Di solito è appaiato con un filamento complementare. Questi filamenti si avvolgono uno sull'altro per formare una doppia elica, illustrata qui a fianco. Il codice è piuttosto facile da leggere, basta semplicemente scorrere lungo il filamento di DNA, un nucleotide alla volta, e leggere le basi: A, T, C o G. Questo è esattamente quello che fanno le nostre cellule: leggono la sequenza di un RNA messaggero (copiato dal DNA), e usano i ribosomi per costruire proteine corrispondenti al codice che è stato letto.

La nostra Eredità
Le informazioni genetiche che abbiamo ereditato dai genitori sono il nostro bene più prezioso. Hanno guidato la costruzione del nostro corpo all'interno del grembo materno e continuano ancora oggi a controllarne tutte le funzioni vitali di base. Ogni cellula sta usando continuamente queste informazioni per sapere come controllare i livelli di zucchero nel sangue o la temperatura del corpo, come digerire i diversi cibi, come affrontare le nuove sfide ambientali e come risolvere migliaia di altri importanti problemi. Le risposte sono contenute nel DNA.
Centinaia di proteine diverse vengono costruite per interagire con queste informazioni: per leggerle ed usarle per costruire nuove proteine, per copiarle quando la cellula si deve dividere, per conservarle e proteggerle quando non vengono usate attivamente e per riparare le informazioni stesse quando vengono danneggiate da sostanze chimiche o da radiazioni.

Icona Centrale
Il DNA è certamente una delle molecole più belle delle cellule viventi. La sua doppia elica ha una forma elegante ed è piacevole da guardare. Il DNA è anche una delle molecole più famose, l'icona centrale della biologia molecolare, riconosciuta facilmente da tutti.
Per qualcuno può avere un significato negativo, essendo un simbolo usato dagli attivisti contrari all'ingegneria genetica. Ad altri, può ricordare i progressi che ci sono stati nelle indagini di polizia da quando la prova del DNA è stata usata per risolvere molti casi famosi. Molti hanno visto il DNA nei film di fantascienza, dove veniva modificato per costruire dinosauri o per conservare dati nascosti degli alieni. Per tutti è un simbolo penetrante della nostra crescente comprensione del corpo umano e della nostra stretta parentela col resto della biosfera. Molti problemi morali ed etici devono essere riconsiderati alla luce di queste nuove conoscenze.





Informazioni Molecolari
Il DNA è perfetto per l'archiviazione e la lettura di informazioni. È carico di informazioni. Ogni superficie ed ogni lato della molecola portano informazioni. Il meccanismo di base col quale il DNA immagazzina e trasmette le informazioni genetiche è stato scoperto negli anni 1950 da Watson e Crick. Queste informazioni possono esere lette grazie al fatto che le basi azotate (adenina, timina, guanina, citosina) possono formare tra loro dei legami idrogeno complementari attraverso i quali possono riconoscersi ed accoppiarsi l'un l'altra su lati opposti della duplice elica (l'adenina si accoppia solo con la timina, la guanina solo con la citosina). Questi legami idrogeno sono mostrati in figura con frecce rosse.
Ulteriori informazioni extragenetiche possono essere lette dalle superfici che rimangono esposte nella duplice elica. Nella scanalatura principale (la più larga delle due scanalature nella struttura sulla sinistra), le differenti paia di basi hanno una sequenza caratteristica di gruppi chimici che può essere riconosciuta. Questa sequenza è mostrata da frecce verdi nelle figure ingrandite sulla destra. I gruppi includono donatori (D) ed accettori (A) di legame idrogeno e inoltre un gruppo chimico di maggiori dimensioni nel paio di basi adenina-timina (asterisco grande) o un gruppo più piccolo nel paio di basi guanina-citosina (asterisco piccolo). Nella scanalatura minore, c'è una sequenza diversa di gruppi chimici che portano informazioni supplementari, indicata con frecce blu nella figura sulla destra e con lettere blu nella struttura sulla sinistra. Come rivelato in centinaia di strutture nel PDB, queste informazioni extragenetiche sono usate dalle proteine per leggere il codice genetico del DNA senza svolgere la duplice elica. Sono anche il bersaglio di numerose tossine e farmaci che attaccano il DNA.

Variazioni sul Tema
Il DNA adotta la normale doppia elica, chiamata elica-B, quando si trova nelle condizioni tipiche che esistono nelle cellule viventi. L'elica-B è mostrata nella figura al centro qui a lato (codice PDB 1bna) mentre nella parte sottostante è illustrata una versione idealizzata di elica-B.
In condizioni diverse, comunque, il DNA può assumere altre strutture, come è illustrato nelle altre due figure: codice PDB 1ana sulla sinistra e codice PDB 2dcg sulla destra.
La doppia elica sulla sinistra che ha le basi inclinate ed una profonda scanalatura principale, è chiamata A-DNA. Si forma in condizioni disidratanti.
Anche l'RNA spesso assume questa forma, perché il gruppo idrossilico extra presente sul ribosio si intromette, rendendo la forma B instabile (si veda, per esempio, la struttura ad elica-A dell'RNA transfer mostrato nella Molecola del Mese di marzo 2001).
La doppia elica sulla destra è avvolta nella direzione opposta (sinistrorsa) rispetto al A-DNA e al B-DNA, è chiamata Z-DNA. Si forma a concentrazioni elevate di sale e richiede una particolare sequenza di basi, con molte coppie alternate citosina-guanina e guanina-citosina.









Esplorando la Struttura
Molti pensano che il DNA sia una doppia elica perfetta e regolare. In realtà ha molte variazioni locali di struttura. Il piccolo frammento di DNA mostrato qui (codice PDB 1bna) presenta alcune delle variazioni più comuni. Nella parte superiore, l'elica è piegata a sinistra, distorta a causa del fatto che le eliche sono impaccate nel cristallo (queste strutture si ottengono infatti da molecole cristallizzate). Sul fondo, due delle basi sono fortemente ruotate e quindi non sono in un piano perfetto. Questo migliora il modo in cui le basi si impilano una sopra l'altra lungo ogni filamento, stabilizzando l'intera doppia elica.
A mano a mano che aumenta il numero delle strutture di DNA studiate, sta diventando sempre più chiaro che il DNA è una molecola dinamica, molto flessibile che può essere piegata, attorcigliata, annodata e snodata, svolta e riavvolta dalle proteine che interagiscono con lui.

Questa figura è stata creata con Chime. Anche voi potete creare immagini simili cliccando sul codice di accesso PDB qui sopra e poi scegliendo una delle opzioni nel menù "View Structure".














Bibliografia
Richard E. Dickerson (1983) The DNA Helix and How it is Read. Scientific American 249, pp. 94-111.
Wolfram Saenger (1994) Principles of Nucleic Acid Structure (Springer-Verlag, New York).
The Nucleic Acid Database, http://ndbserver.rutgers.edu/