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

Trasposasi


Molecola del Mese di Dicembre 2006

Introduzione
Negli anni 1940 Barbara McClintock ha scoperto che il genoma è qualcosa di dinamico e mutevole. Mentre stava studiando il mais, ha scoperto che il bel mosaico colorato dei semi non seguiva le normali leggi dell'ereditarietà. Quando ha studiato le cellule, ha scoperto che i cromosomi avevano cambiato forma scambiandosi dei frammenti da un cromosoma all'altro. Con questo lavoro ha dimostrato che i cambiamenti di colore erano causati dalla rimozione di particolari pezzi di DNA da una zona vicina al gene responsabile del colore. Il gene poteva così essere espresso e generava i pigmenti colorati. Barbara ha chiamato questo processo trasposizione: l'eliminazione di un frammento di DNA da un gene e il suo inserimento in un altro gene.

Geni che saltano
Da allora il DNA che traspone è stato trovato in organismi di tutti i tipi. Nelle nostre cellule questo processo è relativamente raro, ma un'attenta analisi del nostro genoma mostra che oltre il 40% dei geni ha subito trasposizioni nel lontano passato.
I batteri, invece, hanno un DNA che traspone più facilmente e questa migrazione di geni è alla base della resistenza dei batteri agli antibiotici.
Gli organismi di gran lunga più attivi nella trasposizione sono i retrovirus come l'HIV: per moltiplicarsi introducono il proprio patrimonio genetico nel DNA della cellula ospite e poi la forzano a produrne molte copie.

Taglia e Incolla
Nei casi più semplici la trasposizione richiede solo due cose: un trasposone (il DNA che migra) e una trasposasi (l'enzima che taglia il DNA e lo sposta in una diversa posizione). L'enzima mostrato qui è una trasposasi batterica (file PDB 1muh) che porta un trasposone chiamato Tn5. Il trasposone Tn5 è un tratto di DNA che include molti geni per la resistenza agli antibiotici ed inoltre il gene necessario per la sintesi della stessa trasposasi. La struttura qui sopra ha colto l'enzima nel mezzo del processo di trasposizione. Il processo inizia quando due copie dell'enzima si legano al DNA ai due capi del trasposone. I due capi vengono poi avvicinati trasformando il trasposone in una struttura ad anello. A questo punto la trasposasi taglia il DNA in corrispondenza dei due capi. Questo è quello che vediamo nella struttura mostrata qui: due copie dell'enzima sono legate ai due estremi del tratto di DNA appena tagliato (in realtà la vera struttura ad anello del DNA è molto più grande, è lunga 5700 paia di basi). Infine l'enzima trova una nuova posizione nel DNA nella quale inserire il trasposone.

Operazione Rischiosa
La trasposizione è una lama a doppio taglio, offre benefici, ma anche molti rischi. Il DNA umano contiene molte sequenze mobili di DNA, quindi nel corso dell'evoluzione sono avvenute molte trasposizioni.
Alcuni ricercatori hanno proposto che il DNA mobile sia completamente egoista: si introduce nel genoma per riprodursi e a questo punto le nostre cellule non possono fare niente per fermarlo. Questo è sicuramente il caso di virus come l'HIV, che utilizza in modo egoista la cellula, come un incubatore in cui riprodursi, senza alcuna utilità per la cellula o per la persona infettata.
D'altra parte, il DNA mobile è una lenta, ma potente fonte di mutazioni, quindi può aver fornito una via, nel corso di milioni di anni, per rimescolare e ristrutturare il DNA contribuendo a creare la diversità genetica che è il motore dell'evoluzione. Il genoma umano è pieno di elementi mobili vecchi e inattivi a testimonianza delle molte tappe della nostra lenta evoluzione.


Una Trasposasi Tetramera
Le trasposasi usano una serie di meccanismi diversi per tagliare e ricucire il DNA. L'enzima mostrato qui, lambda integrasi di batteriofago (file PDB 1z1g) usa un meccanismo più complesso della trasposasi Tn5 vista prima. Anche questa struttura coglie l'enzima nel mezzo della sua azione, che prevede un ripiegamento elaborato del DNA all'interno e intorno all'enzima. Durante il processo, si crea una strana giunzione a forma di croce all'interno dell'enzima, illustrata nella figura più a destra.

Esplorando la Struttura
Molte trasposasi hanno un caratteristico sito attivo che include tre amminoacidi acidi, chiamato gruppo DDE (acido glutammico, acido glutammico, acido aspartico). Qui a destra è mostrato il sito attivo della trasposasi Tn5 (file PDB 1mus). Il DNA si trova in alto con gli atomi rappresentati come grosse sfere colorate, mentre i tre amminoacidi acidi (97, 188, 326) sono mostrati con sferette e bastoncini. Notate che gli amminoacidi acidi legano due ioni magnesio, verdi, che aiutano sia nella reazione di taglio che in quella di riconnessione.















Bibliografia

L. Haren, B. Ton-Hoang and M. Chandler (1999) Integrating DNA: transposases and retroviral integrases. Annual Review of Microbiology 53, 245-281.

Mobile DNA II, edited by N. L. Craig and others, ASM Press, 2002.

M. J. Curcio and K. M. Derbyshire (2003) The ins and outs of transposition: from mu to kangaroo. Nature Reviews, Molecular and Cellular Biology 4, 1-13.

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