All'interno delle cellule, la forma tridimensionale e biologicamente attiva del DNA è frutto di diversi ripiegamenti e attorcigliamenti della sua struttura lineare, che ora sono stati analizzati in laboratorio con un dettaglio senza precedenti. Lo studio ha rivelato alcuni particolari interessanti, come il fatto che l'apertura della doppia elica, necessaria per la replicazione o la trascrizione del DNA, avviene nella fase di massimo avvolgimento della molecola, quando i legami tra le basi sono più forti(red)
Qual è la forma del DNA? Quella di due lunghi filamenti lineari di unità elementari, i nucleotidi, che si avvolgono a doppia elica, formando una sorta di scala a pioli, in cui i pioli sono formati da coppie delle quattro basi azotate, adenina-timina e guanina-citosina.
È quello che si legge in tutti i manuali, che tuttavia sottolineano che si tratta di una descrizione approssimativa; la forma biologicamente attiva è ben diversa, perché la struttura lineare del DNA subisce vari ripiegamenti e contorsioni che vengono indicati complessivamente come “superavvolgimento” (supercoil) del DNA: che ora è stato descritto sulle pagine di “Nature Communications” con un dettaglio senza precedenti da Rossitza N. Irobalieva del Baylor College di Houston, in Texas, e colleghi di una collaborazione internazionale.
Elaborazione al computer dei dati ricavati con la tomografia crioelettronica durante lo studio: uno dei tipici superavvolgimenti dei minicircoli fa assumere loro una forma "a otto" (Thana Sutthibutpong)Il DNA umano contiene circa tre miliardi di coppie di basi: ciò significa che ogni cellula del nostro organismo ne contiene circa un metro, se si considera la lunghezza della molecola distesa. Il superavvolgimento è il processo che consente di impacchettarla nelle minuscole dimensioni del nucleo cellulare.
Per esaminare come si avvolge la struttura lineare per dare luogo alla forma tridimensionale biologicamente attiva, gli autori hanno studiato sequenze di DNA chiuse, cioè con i due estremi legati in modo che la molecola formasse un anello, contenenti solo 336 coppie di basi, quindi 10 milioni di volte più corte della molecola di DNA umana.
Si tratta comunque di un modello enormemente più sofisticato di quelli usati in studi precedenti, che hanno utilizzato frammenti molto più corti, contenenti solo da 6 a 12 coppie di basi di DNA lineare.
Irobalieva e colleghi si sono serviti di una sofisticata tecnica di imaging chiamata tomografia crioelettronica per ottenere immagini tridimensionali delle forme assunte dai minicircoli, come sono stati battezzati i piccoli anelli di DNA realizzati in laboratorio.
“Alcuni circoli presentavano ripiegamenti ad angolo vivo, altri formavano un 'otto', altri ancora somigliavano alla cruna di un ago e altri erano così contorti da assumere una forma a bastoncino”, ha spiegato Irobalieva. “Riuscire a osservare singoli circoli di DNA consente di comprendere le differenti strutture di DNA biologicamente attive: ciascuna di esse permette l'interazione del DNA con proteine, con altre molecole di DNA o di RNA, o con farmaci anticancro, adattando la cellula al processo richiesto”, ha aggiunto Jonathan Fogg, coautore dello studio.
L'osservazione dei minicircoli ha riservato sorprese anche sulle modalità con cui si svolgono alcuni processi fondamentali che coinvolgono il DNA. Per esempio, i ricercatori si aspettavano che l'apertura della doppia elica, con la separazione delle coppie di basi – necessaria quando il DNA si replica o viene trascritto in RNA messaggero – avvenisse nella fase di minimo grado di avvolgimento della molecola, mentre invece si verifica quando è massimo, cioè in una fase ritenuta finora di forte legame tra i due filamenti nucleotidici.
“Il prossimo passo della nostra ricerca sarà aggiungere altre componenti della cellula o farmaci anticancro per studiare in che modo cambia la forma del DNA”, ha concluso Fogg.
