I geni che saltano

Nel 1951, la genetista Barbara Mc Clintock, per spiegare i modelli genetici dei cereali, introdusse il termine di “elementi controllori”, ma molti genetisti tardarono a comprendere l’importanza della scoperta, grazie alla quale nel 1983, alla stessa Mc Clintock, venne assegnato il Premio Nobel. Oggi gli scienziati, a distanza di cinquant’anni, sono in grado di realizzare una “fotografia” di uno di questi elementi proprio nell’istante in cui si trova in azione, in altre parole è possibile osservare i geni mentre “saltano” da una zona all’altra del DNA. Come spesso avviene nel mondo della ricerca, alcuni modelli di spiegazione necessitano a volte di tempi piuttosto lunghi prima di ottenere il consenso da parte della comunità scientifica, e l’uso di mezzi tecnologici più sofisticati può contribuire alla verifica delle ipotesi che vengono proposte come schema di riferimento. Parlare di DNA significa scendere nel mondo dell’infinitamente piccolo in cui gli ordini di grandezza vanno dal millesimo di millimetro (micron) al decimilionesimo di millimetro (angstrom). Il lavoro compiuto dai ricercatori del Dipartimento di Biochimica della Wisconsin University a Madison, ha utilizzato la tecnica della cristallografia a raggi X. La rivista Science, nel mese di Luglio, dedica la copertina ad un’immagine raffigurante la struttura tridimensionale di un enzima che permette ad un elemento genetico trasponibile di saltare da una parte all’altra del DNA. La visione del DNA come quella di una struttura statica in grado semplicemente di fornire informazioni per la sintesi proteica, lascia adesso il posto ad un modello dinamico che riesce a spiegare l’enorme possibilità di adattamento ed evoluzione del genoma, come per esempio nel caso di quello umano che secondo alcune stime è formato almeno da un 30% di elementi trasponibili chiamati trasposoni. “Gli elementi trasponibili hanno la potenzialità di rimodellare il genoma e di facilitare il movimento dell’informazione genetica, come la resistenza antibiotica,” dice Bill Reznikoff, genetista molecolare. La struttura di questo complesso proteina-DNA mostrata nella copertina della rivista, descrive la struttura tridimensionale dell’enzima trasposasi Tn5 dell’Escherichia Coli diretto verso il trasposone Tn5. “E’ un importante passo verso la comprensione delle basi strutturali della trasposizione,” dice Rayment, cristallografo e biologo molecolare e principale co-autore dello scritto. Nel passato, gli studi della struttura degli enzimi che innescano la trasposizione si sono concentrati sul centro attivo che taglia l’elemento del DNA, dice Rayment. Non si sapeva come l’intero enzima si legasse o interagisse con il DNA, e la rappresentazione della struttura tridimensionale del complesso proteina-DNA fornisce ora una visione molto più chiara delle interazioni a livello molecolare tra l’enzima ed il DNA.

Inizialmente singole molecole di trasposasi (in rosso) si legano a siti specifici posti alle terminazioni del DNA trasposone (in arancio). Successivamente, si forma un anello di DNA trasposone in un complesso sinaptico che porta le due terminazioni del trasposone ad unirsi insieme. A questo punto, formato il complesso sinaptico, il Tn5 trasposasi stacca il DNA trasposone dal DNA “donatore” (in verde). Ora il complesso Tn5 trasposasi/DNA è libero di muoversi fino ad incontrare e legarsi al DNA “bersaglio” (in verde scuro). Il processo di trasposizione chiamato “trasferimento del filamento” è completo, l’enzima Tn5 ha catalizzato l’inserzione di un DNA trasposone in una nuova locazione di DNA.

Lo schema illustra il meccanismo della trasposizione catalizzato dal Tn5 trasposasi. Inizialmente singole molecole di trasposasi (in rosso) si legano a siti specifici posti alle terminazioni del DNA trasposone (in arancio). Successivamente, si forma un anello di DNA trasposone in un complesso sinaptico che porta le due terminazioni del trasposone ad unirsi insieme. A questo punto, formato il complesso sinaptico, il Tn5 trasposasi stacca il DNA trasposone dal DNA “donatore” (in verde). Ora il complesso Tn5 trasposasi/DNA è libero di muoversi fino ad incontrare e legarsi al DNA “bersaglio” (in verde scuro). Il processo di trasposizione chiamato “trasferimento del filamento” è completo, l’enzima Tn5 ha catalizzato l’inserzione di un DNA trasposone in una nuova locazione di DNA. Tra gli altri coautori dello scritto, tutti del Dipartimento di Biochimica nel College di Agronomia e Scienze Naturali, troviamo Douglas Davies e Igor Goryshin. Davies insieme con Rayment, ha sviluppato i cristalli di enzimi-DNA per analizzarli usando la cristallografia a raggi X. Goryshin, un biologo molecolare, lavorava con Reznikoff nello sviluppo, isolamento e purificazione del trasposasi. Le scoperte del team hanno implicazioni per le ricerche sull’AIDS perché il virus-1 dell’immunodeficienza umana (HIV-1), per inserirsi nel DNA, usa un processo simile alla trasposizione. “Proprio come gli enzimi chiamati trasposasi rendono la trasposizione possibile, enzimi chiamati integrasi catalizzano eventi simili nei retrovirus, compreso l’HIV-1,” dice Rayment. “I ricercatori adesso hanno studiato il nucleo catalitico di cinque differenti trasposasi ed integrasi, e questi mostrano una somiglianza notevole. Di conseguenza, un’immagine chiara di uno di essi fornisce una migliore comprensione di tutti quelli simili.” Per controllare l’AIDS, i ricercatori dell’industria farmaceutica stanno selezionando composti in grado di inibire l’HIV-1 integrasi, in accordo con Rayment e Reznikoff.

© Alessandro Mura