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

Dimeri di timina


Molecola del Mese di Luglio 2007
I raggi ultravioletti danneggiano il DNA, ma le nostre cellule hanno trovato delle contromisure

Introduzione
L'estate è arrivata e noi tutti passeremo molto tempo all'aria aperta per goderci il sole estivo. Bisogna ricordarsi però di usare sempre una crema solare protettiva contro i raggi UV-A e UV-B perchè un'eccessiva esposizione a queste radiazioni può danneggiare le nostre cellule.
Piccole dosi di raggi ultravioletti sono necessari per produrre la vitamina D, ma dosi maggiori possono danneggiare il DNA.
Gli UV-C, la componente più energetica e pericolosa dei raggi ultravioletti, non giungono fino a terra, ma vengono fermati nella parte intermedia dell'atmosfera chiamata mesosfera (a circa 60 Km di altezza), dove provocano una reazione chimica nell'ossigeno molecolare O
2 che viene spezzato in due atomi di ossigeno.

Gli UV-B, la componente di media energia dei raggi ultravioletti, anch'essi pericolosi, vengono in buona parte fermati nella stratosfera (a circa 30 Km di altezza) dove provocano una reazione chimica nell'ozono O
3 che viene spezzato in ossigeno molecolare O2 e un atomo di ossigeno.

Gli UV-A, la componente dei raggi ultravioletti di più bassa energia, giungono indenni fino al suolo, e sono quelli responsabili dell'abbronzatura della pelle. Anche se gli UV-A sono i meno pericolosi, non sono del tutto innocui, infatti hanno ancora abbastanza energia da causare mutazioni chimiche nel DNA delle cellule della pelle.

Dimeri pericolosi
La luce ultravioletta viene assorbita da un doppio legame carbonio-carbonio C=C nella timina e nella citosina, due basi azotate del DNA. Quando questo doppio legame assorbe la radiazione ultravioletta, si rompe e può reagire con la base azotata vicina. Se questa è un'altra timina o una citosina si possono formare due legami covalenti tra le due basi. La reazione più comune è mostrata qui a destra: due basi azotate di timina (magenta) hanno formato un dimero di timina nel quale si sono formati due nuovi legami covalenti che tengono saldamente unite le due timine.
L'immagine superiore è stata ottenuta dal file PDB 1ttd, mentre l'immagine ravvicinata qui sopra viene dal file PDB 1n4e.
Qui sotto è mostrata la stessa struttura PDB 1n4e elaborata con Chimera dove si vedono bene i due anelli di timina lagati tra loro su un fianco (con i carboni verdi). L'anello superiore non è orizzontale come le altre basi azotate, ma ha assunto una posizione obliqua e il suo appaiamento con l'adenina alla sua sinistra è compromesso.
Questa reazione non è affatto rara: ogni secondo, quando prendiamo il sole, si formano da 50 a 100 di questi dimeri in ogni cellula della pelle esposta alla luce solare.

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Problemi con le polimerasi
Questi dimeri sono pericolosi e formano una rigida piega nel DNA che causa dei problemi quando la cellula deve duplicare il DNA. L'enzima DNA polimerasi (mdm 03-2000) legge con difficoltà il dimero perchè questo non si adatta in modo flessibile alla forma del suo sito attivo. I dimeri TT, timina-timina, come quello mostrato qui sopra non costituiscono però il problema più grave perchè, anche se con qualche difficoltà, vengono appaiati correttamente con due adenine durante la duplicazione del DNA. I dimeri CC, citosina-citosina, invece non vengono tradotti così bene. La DNA polimerasi spesso li appaia con due adenine invece che con due guanine, provocando così una mutazione genetica definitiva. Se questa si verifica in un tratto del DNA dove risiede un gene importante che controlla la crescita delle cellule, come per esempio il gene per la Src tirosina chinasi (mdm 07-2003) o per il soppressore di tumore p53 (mdm 07-2002), la mutazione può portare al cancro.

Correzione degli errori
Dato che passiamo molto tempo all'aria aperta esposti ai raggi del sole, non è sorprendente che abbiamo un meccanismo molto efficace per correggere questi problemi. Le nostre cellule usano una tecnica chiamata riparazione di nucleotidi per escissione che richiede il lavoro combinato di molte proteine per riconoscere le basi rovinate, per eliminare il tratto di DNA con l'errore e infine per costruire una nuova copia del tratto danneggiato.
Alcuni organismi hanno anche altri metodi di correzione, come l'enzima fotoliasi che rompe i legami che tengono unite le due basi azotate del dimero (stranamente utilizza la luce visibile per innescare il processo), oppure l'enzima endonucleasi che elimina i nucleotidi danneggiati da un singolo filamento di DNA e così rende possibile ricostruire la sequenza corretta usando l'altra catena come stampo.
L'endonucleasi mostrata qui a fianco (file PDB 1vas), stranamente, non riconosce direttamente il dimero di timina. Nella figura si può vedere che il dimero di timina (magenta) non tocca l'enzima. Invece, l'enzima riconosce una delle due adenine appaiate con il dimero. Nel punto danneggiato, infatti, l'accoppiamento delle basi azotate adenina-timina è compromesso dalla forma contorta del dimero, quindi l'adenina può essere piegata in fuori con facilità e portata nel sito attivo dell'enzima. Il tratto di catena con il dimero di timina risulta così libero e può essere tagliato e ricostruito.


Esplorando la struttura
La maggior parte degli enzimi DNA polimerasi copiano con molta fatica i dimeri di timina o di citosina. L'enzima mostrato sulla sinistra (file PDB 1rys) è un'eccezione: è specializzato nel leggere il DNA danneggiato. Il suo sito attivo è un po' più largo del normale così può facilmente adattarsi alla struttura rigida e piegata del dimero di timina. D'altra parte, però, un sito attivo così aperto rende l'enzima anche più propenso a commettere errori di lettura.
Un tipico enzima DNA polimerasi come quello mostrato sulla destra (file PDB 1sl2) avvolge più strettamente il DNA e, per questo, compie pochissimi errori di lettura. Di contro, ha molta difficoltà nel leggere le basi danneggiate, infatti, quando deve leggere un dimero di timina, lavora 3000 volte più lentamente del normale .







Bibliografia
H. S. Black, F. R. deGruijl, P. D. Forbes, J. E. Cleaver, H. N. Ananthaswamy, E. C. deFabo, S. E. Ullrich and R. M. Tyrrell (1997) Photocarcinogenesis: an overview. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 40, 29-47.
T. Lindahl, R. D. Wood (1999) Quality control by DNA repair. Science 286, 1897-1905

 

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