Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
Pinze scorrevoli

Molecola del Mese di Giugno 2012
Parole chiave: duplicazione, DNA polimerasi, applicatori di pinza (clamp loader), processività, continuità di processo

Introduzione

Nel nostro genoma, sono necessari migliaia di nucleotidi di DNA per codificare ogni singola proteina e anche di più per codificare le informazioni che servono per regolarla. Quindi, quando le cellule devono copiare il loro DNA, devono copiare filamenti molto, molto lunghi, perchè le informazioni contenute nel DNA richiedono un numero enorme di nucleotidi. Questa operazione non è affatto facile nell'ambiente caotico e affollato del nucleo cellulare. Le cellule usano una tecnica molto curiosa per copiare il DNA: legano gli enzimi necessari alla sintesi del DNA ad una pinza a forma di anello che scorre lungo il DNA e obbliga questi enzimi a svolgere fino in fondo il loro lavoro. Questa tecnica porta ad un grande aumento di efficienza. Per esempio, legando la DNA polimerasi ad una pinza scorrevole, i batteri aumentano l'efficienza della duplicazione del DNA di 100 volte portandola da circa 10 paia di basi al secondo fino a 1000, e aumentano anche la continuità del processo (il numero di basi copiate prima che la polimerasi si stacchi e debba ricominciare) portandola da circa 10 paia di basi a oltre 80.000.

Applicare la pinza
La pinza scorrevole deve circondare la doppia elica del DNA. Molte pinze, però, formano anelli chiusi così strettamente che devono essere aperti a forza per consentire al DNA di entrare. Degli applicatori di pinza (clamp loader) azionati da ATP realizzano il lavoro di aprire le pinze per metterle attorno al DNA. La struttura mostrata qui a destra è stata presa da un virus batteriofago (file PDB 3u5z), e illustra il complesso pinza, DNA, applicatore di pinza. La pinza si trova nella posizione aperta ed è colorata in verde, il DNA in arancione e rosso e l'applicatore di pinza in blu.
Sono state risolte anche le strutture di applicatori di pinza di batteri ed eucarioti, hanno tutti una struttura e un meccanismo di funzionamento simili. Si legano alla pinza, la fanno aprire e poi consentono al DNA di entrare. La maggior parte di questi processi avviene grazie alla strana forma ad elica dell'applicatore che obbliga la pinza ad assumere la forma di una rondella aperta. L'ATP serve per realizzare l'ultimo passaggio, il rilascio del complesso pinza-DNA.




Enzimi pinzati

Le pinze assicurano che la DNA polimerasi svolga fino in fondo il suo prezioso lavoro, ma vengono anche usate per altri enzimi che devono agire sul DNA.
Quella mostrata qui a destra è la struttura di FEN1 (Flap EndoNucleasi 1, ottenuta dal file PDB 1ul1), un enzima che idrolizza il DNA in direzione 5'-3' per eliminare i flap, cioè i brevi tratti a singolo filamento che sporgono dalla doppia elica in posizione 5' a causa della rimozione del primer.
Questa struttura include la pinza, composta di tre subunità identiche, e mostrata in verde e tre molecole di FEN1, mostrate in blu. Gli enzimi sono collegati alla pinza da filamenti flessibili che consentono loro di posizionarsi nel modo migliore per attaccare la catena a singolo filamento che scorre attraverso il centro della pinza e tagliare il legame fosfato prima dell'inizio del DNA a doppio filamento.








Esplorando la Struttura

Il file PDB 3u5z include due copie del complesso pinza, DNA, applicatore della pinza. Il primo complesso ha la pinza aperta ed è illustrato nelle due immagini qui sotto, mentre l'altro complesso ha la pinza chiusa e verrà illustrato più avanti.
Uno dei filamenti di DNA è più lungo, e corrisponde alla catena stampo. La pinza aiuta quindi la DNA polimerasi ad allungare la catena più corta scorrendo dal basso verso l'alto.



In queste prime due immagini è mostrato il complesso PDB 3u5z con la pinza aperta (verde). A sinistra lo si vede di fianco, a destra lo si osserva dal basso verso l'alto lungo l'asse del DNA. Si noti che l'apertura della pinza è appena sufficiente per fare entrare il DNA (arancione e beige)
Nelle cinque subunità dell'applicatore di pinza, si vedono anche quattro molecole simili all'ATP (viola) . Non si è potuto usare ATP perchè questo si sarebbe spezzato in ADP e fosfato e l'applicatore si sarebbe sganciato dal complesso pinza-DNA.



In queste altre due immagini si vede il complesso PDB 3u5z con la pinza chiusa (verde) stretta attorno alla catena a doppio filamento del DNA. La chiusura della pinza è stata indotta dalla proteina blu applicatore di pinza (clamp loader) che poi, idrolizzando ATP (viola), si deformerà e si staccherà dal complesso pinza-DNA.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
- Negli archivi PDB potete trovare strutture di applicatori di pinza (clamp loaders) di altri organismi. Notate che hanno tutti una struttura molto simile con cinque subunità disposte ad elica.
- Alcuni organismi hanno pinze scorrevoli composte di tre subunità, mentre altri ne hanno di due subunità. Cercate negli archivi PDB esempi di entrabi i tipi


Bibliografia
- B. A. Kelch, D. L. Makino, M O'Donnell & J. Kuriyan (2012) Clamp loader ATPases and the evolution of DNA replication machinery. BMC Biology 10:34.
- T. R. Beattie & S. D. Bell (2011) The role of the DNA sliding clamp in Okazaki fragment maturation in archaea and eukaryotes. Biochemical Society Transactions 39:70-76.


Codici PDB Correlati
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