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

Topoisomerasi


Molecola del Mese di Gennaio 2006

Topoisomerasi
Se potessimo srotolare e allineare il DNA (mdm 9-2001) contenuto in una sola nostra cellula, otterremo un filamento lungo circa 2 metri. Il DNA però è ripiegato su sè stesso in modo così efficiente da occupare uno spazio un milione di volte più piccolo, il nucleo della cellula, che ha un diametro di circa 2 micron
Come potete immaginare, questi filamenti lunghi e sottili di DNA si possono aggrovigliare molto facilmente nell'ambiente affollato del nucleo. Per complicare le cose, il DNA è costituito da due filamenti avvolti su sè stessi per formare una struttura chiamata doppia elica che deve essere svolta per rendere disponibili le informazioni genetiche. Se avete mai provato a districare i fili di un pezzo di corda aggrovigliato, potrete capire quanto complicato possa essere. Per risolvere questi problemi, le cellule sintetizzano una serie di enzimi diversi chiamati topoisomerasi che srotolano e rilassano i filamenti di DNA.

Rilassare il DNA
Le topoisomerasi di classe I risolvono il problema della tensione causato dall'avvolgimento e dallo svolgimento del DNA. Un esempio è mostrato qui a destra (file PDB 1a36). Questo enzima si avvolge attorno al DNA e fa un taglio in uno dei due filamenti. Poi, mentre resta aggrappato al punto appena tagliato, l'enzima permette all'elica di girare, per svolgere gli avvolgimenti in eccesso o in difetto. Quando il DNA si è rilassato, la topoisomerasi riconnette il filamento rotto, ripristinando il DNA a doppia elica.

Districare il DNA
Le topoisomerasi di classe II, mostrate nella prossima pagina, sono specializzate nel districare il DNA nel nucleo. Per esempio, quando una cellula si sta dividendo, ha bisogno di separare le due copie di ciascun cromosoma. Durante questo processo, porzioni dei due cromosomi omologhi si possono attorcigliare tra loro, attaccandosi insieme e ostacolando la separazione. La topoisomerasi di classe II risolve questo problema permettendo ad un'elica di DNA di passare attraverso l'altra. Taglia entrambi i filamenti di un DNA a doppia elica, mantenendo una presa fissa su entrambe le metà. Poi, passa l'altro filamento di DNA attraverso l'apertura, risolvendo il groviglio. Infine, ricuce insieme i terminali che aveva tagliato, ripristinando il DNA.

Tossine e Trattamenti
Questi processi di rilassamento e districamento sono essenziali per la corretta manutenzione del DNA, quindi le topoisomerasi sono obiettivi ideali per i veleni. Se le topoisomerasi vengono bloccate, la cellula incontra dei problemi durante la trascrizione del DNA e durante la divisione cellulare. La chemioterapia del cancro sfrutta questo fatto, usando farmaci che bloccano le topoisomerasi per uccidere le cellule cancerose che si dividono rapidamente. Per esempio, i farmaci che contengono antraciclina, come doxorubicin e daunorubicin, attaccano le topoisomerasi di classe II, mentre la tossina vegetale campotecina blocca l'azione rilassante delle topoisomerasi di classe I.



Topoisomerasi di Classe II
La topoisomerasi di classe II compie l'azione notevole di tagliare il DNA a doppia elica, facendo passare un'altro filamento di DNA attraverso l'apertura, e ricucendo poi la doppia elica. La figura mostrata qui a destra è stata realizzata con due file PDB:
1bgw
contiene la parte inferiore della topoisomerasi,
1ei1
contiene il dominio di una girasi, un enzima che è simile alla parte superiore della topoisomerasi.
Si pensa che la topoisomerasi abbia una struttura estremamente dinamica, con molti punti per l'entrata del DNA nei due buchi che hanno il diametro adatto ad ospitarlo. Due amminoacidi di tirosina (rossi) tagliano i due filamenti di una catena di DNA e formano con questi un legame covalente. In questo modo li tengono saldamente fino a quando il DNA sarà stato ricostruito.









 







Esplorando la Struttura

Le figura qui a fianco (file PDB 1a31) mostra una topoisomerasi di classe I durante il processo di rilassamento di un filamento di DNA. Una tirosina (Tyr 723) ha rotto un filamento di DNA, e ha formato un legame covalente col gruppo fosfato (rosso e arancione) alla fine del filamento rotto. Dopo che i filamenti hanno ruotato alcune volte per eliminare la tensione, l'enzima riformerà il legame rotto nella catena principale del DNA.


















Bibliografia

J. C. Wang (2002) Cellular roles of DNA topoisomerases: a molecular perspective. Nature Reviews Molecular and Cellular Biology 3, 430-440.