Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
DNA Metilasi

Molecola del Mese di Luglio 2011 di David Goodsell
Parole chiave: epigenetica, metilazione del DNA, DNMT1, DNMT3, sistema di modifica della restrizione.


Introduzione

Nel nostro corpo ci sono molti tipi di cellule diverse, quelle della pelle, del sistema nervoso, delle ossa, ecc. Queste hanno forma e dimensioni diverse, inoltre ogni tipo di cellula costruisce un insieme diverso e caratteristico di proteine necessarie per il suo funzionamento. Ogni cellula del nostro corpo, però, ha lo stesso patrimonio genetico scritto nel suo DNA. Come fa ogni cellula a sapere quali geni deve usare e quali invece deve ignorare?

Genetica ed Epigenetica
Gli scienziati hanno scoperto che le informazioni contenute nel DNA non si limitano alla semplice sequenza di basi azotate che codificano il nostro patrimonio genetico. Le cellule sovrappongono al loro patrimonio genetico ulteriori informazioni chiamate epigenetiche che modificano l'espressione di alcuni geni. In qualche caso il controllo si realizza per mezzo dei nucleosomi, cioè modificando gli istoni, le proteine che si legano al DNA. In altri casi, le basi del DNA vengono metilate, e così viene modificato il modo in cui vengono lette durante la trascrizione impedendo quindi la sintesi proteica.

Tabula rasa

Nei primi minuti di vita, quando siamo costituiti da una sola cellula, l'informazione epigenetica è azzerata. Nell'uovo fecondato i gruppi metilici sono stati rimossi e tutti i geni sono sullo stesso piano. Poi, quando le cellule si dividono formando l'embrione, devono differenziarsi e diventare cellule della pelle, del sistema nervoso, o quant'altro. A questo punto entrano in funzione enzimi chiamati DNA metilasi che aggiungono gruppi metile ai geni e così ne spengono alcuni e ne attivano altri. La DNA metilasi DNMT3, mostrata qui dal file PDB 2qrv, realizza il suo importante lavoro creando il giusto codice epigenetico di gruppi metilici lungo il genoma.




Manutenzione dei Metili

Dopo che ogni cellula si è differenziata, il codice epigenetico deve essere mantenuto per il resto della vita dell'organismo. Quando una cellula si divide, l'informazione deve essere trasmessa alle nuove cellule. La DNA metilasi DNMT1, mostrata qui a destra dal file PDB 3pt6, realizza questo lavoro. Quando il DNA viene duplicato, aggiunge i gruppi metilici alle nuove catene. L'informazione viene trasmessa grazie ad un espediente: i gruppi metilici vengono quasi sempre aggiunti alle basi di citosina che appartengono alla seguente sequenza palindroma (che si legge nello stesso modo, in direzioni opposte, nei due filamenti):
-------CpG-------
-------GpC-------
In questa coppia di basi la citosina è presente su tutte e due le catene così, in un tratto di DNA metilato, tutte e due le catene hanno un gruppo metilico. Quando il DNA viene duplicato, le due doppie eliche figlie sono composte da una catena vecchia, perfettamente metilata, e da una nuova, non metilata. L'enzima DNMT1 ha il compito di cercare le sequenze CpG che sono metilate su una sola delle due catene e quindi metila anche l'altra catena.

Citosina metilata
La metilazione della citosina avviene nella posizione 5', questo altera il profilo della molecola nella parte sinistra, però non cambia la parte destra della molecola che è implicata nell'appaiamento con la guanina che tiene uniti i due filamenti nella doppia elica del DNA.

Nella doppia elica del DNA, il gruppo metile sporge nella fenditura principale e quindi la citosima metilata può essere riconosciuta toccando il DNA nella sua fenditura principale senza bisogno di aprire le due catene.

Batteri restrittivi
Anche i batteri usano la metilazione del DNA, però non lo fanno per accendere o spegnere geni specifici, ma per difendersi dai virus. I batteri sintetizzano degli enzimi chiamati enzimi di restrizione (MdM 8-2000) che sono specializzati nel tagliare il DNA in corrispondenza di specifiche sequenze di basi azotate. I batteri, naturalmente, devono proteggere il loro DNA dal rischio di essere fatto a pezzi dai loro stessi enzimi di restrizione e quindi sintetizzano delle specifiche DNA metilasi, come quella mostrata qui a destra, Hha1dal file PDB 1mht, che aggiungono gruppi metilici a quelle stesse sequenze. I gruppi metilici impediscono agli enzimi di restrizione di riconoscere e tagliare quella sequenza, ma consentono comunque al DNA di funzionare correttamente, cioè le basi metilate possono essere lette durante le operazioni di duplicazione e trascrizione. In questo modo gli enzimi di restrizione si muovono nella cellula batterica senza fare nulla fino a quando un virus infetta la cellula. Il DNA virale non è metilato e quindi viene rapidamente tagliato in pezzi dagli enzimi di restrizione. Questo meccanismo può essere interpretato come una specie di sistema immunitario primitivo.

Esploriamo la Struttura
E' stato necessario studiare la struttura
di molte DNA metilasi per capire i vari

aspetti del suo funzionamento.
Il file PDB 3pt6 mostra l'enzima DMNT1 legato ad un piccolo pezzo di DNA. L'enzima si avvolge intorno al DNA ed esplora i bordi delle basi azotate nella fenditura principale per vedere se sono metilate, usando una porzione di alfa elica mostrata in azzurro nella figura. Questa struttura contiene un DNA privo di gruppi metilici, che normalmente non viene modificato dalla DNA metilasi. L'enzima riconosce che le basi non sono metilate nè su una catena nè sull'altra e tiene quindi il DNA lontano dal sito attivo.
Finora non è stata risolta nessuna struttura di DNMT1 che lega DNA metilato su una sola catena, ma possiamo farci un'idea di come si comporterebbe l'enzima in questo caso, osservando una metilasi batterica, Hha1 dal file PDB 1mht. (figura sopra a destra e figura sotto)
Il DNA è legato in una tasca profonda dell'enzima, ha la normale struttura a doppia elica beta ad eccezione della citosina (rossa) che deve essere metilata. Questa infatti è stata piegata verso l'esterno della catena e così si viene a trovare nel sito attivo a contatto con la molecola (verde) s-adenosilmetionina che le deve donare il gruppo metile (in questa struttura sostituita con un analogo non reattivo).


Spunti per ulteriori esplorazioni
1. Il gruppo metilico trasferito alla citosina dalla DNA metilasi viene fornito dal coenzima S-adenosilmetionina. Molte strutture di DNA metilasi sono state determinate usando al posto del normale coenzima una molecola simile, ma non reattiva, S-adenosyl homocysteine, che si comporta quindi da inibitore competitivo. Alcune strutture, come PDB 3av6, usano un inibitore diverso, chiamato SAM. Cercate negli archivi PDB altri enzimi che contengono questo legando. Fanno reazioni simili?
2. Confrontate la struttura di enzimi DNMT con altre metilasi batteriche usando lo strumento "structure comparison" nel sito PDB. Notate che il nucleo di tutti questi enzimi è molto simile, ma gli enzimi DNMT sono molto più grandi. Quale credete sia il motivo per cui le DNA metilasi hanno bisogno di ulteriori domini oltre a quello che realizza la reazione?

Bibliografia

1. R. Z. Jurkowska, T. P. Jurkowski and A. Jeltsch (2011) Structure and Function of Mammalian DNA Methyltransferases. ChemBioChem 12, 206-222.

2. X. Cheng and R. M. Blumenthal (2008) Mammalian DNA Methyltransferases: A Structural Perspective. Structure 16, 341-350.

Codici PDB Correlati con DNA Metilasi
Vedi le strutture correlate