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, metilata in modo corretto, e da una nuova, non metilata. L'enzima DNMT1 ha il compito di cercare le sequenze CpG che sono metilate su una sola catena 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 con la quale forma tre legami idrogeno che tengono uniti i due filamenti nella doppia elica del DNA.
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Nel DNA, il gruppo metile sporge nella fenditura principale e quindi la citosima metilata può essere riconosciuta toccando lateralmente la catena del DNA senza bisogno di separare le due catene.

Batteri restrittivi
Anche i batteri metilano il DNA, però non lo fanno per accendere o spegnere geni specifici, ma per difendersi dai virus. I batteri, infatti, sintetizzano gli enzimi di restrizione (mdm 8-2000) che sono specializzati nel tagliare il DNA dei virus in corrispondenza di specifiche sequenze di basi azotate. I batteri, naturalmente, devono proteggere il proprio DNA dal rischio di essere tagliato dai propri enzimi di restrizione e quindi sintetizzano delle specifiche DNA metilasi, come quella mostrata qui a destra, Hha1(file PDB 1mht), che aggiungono gruppi metilici al loro DNA in corrispondenza di 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.

Esplorando la struttura
E' stato necessario studiare la struttura di molte DNA metilasi per capire i vari aspetti del suo funzionamento.
Qui sotto sulla sinistra è mostrato l'enzima DMNT1 legato ad un piccolo pezzo di DNA (file PDB 3pt6). L'enzima si avvolge intorno al DNA ed esplora i bordi delle basi azotate nella fenditura principale per vedere se sono metilate, usando la porzione di alfa elica mostrata in azzurro. 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.

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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 (file PDB 1mht) mostrata qui sopra a destra e, più in dettaglio, nell'immagine qui sotto.
Il DNA è legato in una tasca profonda dell'enzima ed ha la normale struttura a doppia elica ad eccezione della citosina (rossa sopra, rosa qui sotto) che deve essere metilata. Questa infatti è stata piegata verso l'esterno della catena rossa e così si viene a trovare nel sito attivo a contatto con la molecola (verde) di S-adenosilmetionina che le deve donare il gruppo metile (in questa struttura sostituita con un analogo non reattivo).
Notate, qui sotto, che nella catena gialla del DNA c'è l'altra citosina (della sequenza palindroma) già metilata, anche questa è mostrata in rosa.
Questa immagine è stata creata con Chimera (vedi chimica al computer).

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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
R. Z. Jurkowska, T. P. Jurkowski and A. Jeltsch (2011) Structure and Function of Mammalian DNA Methyltransferases. ChemBioChem 12, 206-222.
X. Cheng, R. M. Blumenthal (2008) Mammalian DNA Methyltransferases: A Structural Perspective. Structure 16, 341-350.

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