LA TOPOISOMERASI E IL SUPERAVVOLGIMENTO DEL DNA.

Ognuna delle nostre cellule contiene circa 2 metri di DNA, tutto ripiegato all'interno del nucleo, che è un milione di volte più piccolo. Ciò richiede un elevato stato di organizzazione strutturale per impacchettare una molecola così grande in uno spazio così piccolo.

A rendere le cose ancora più complicate è la struttura a doppia elica del DNA, infati per far si che la cellula replichi fedelemente le informazioni che essa contiene, i filamenti che la compongono devono essere separati e ciò richiede la rottura dei legami idrogeno che ne consentono la stabilità strutturale. Prima di capire come questo possa avvenire con successo dobbiamo parlare di una importante proprietà del DNA nota come superavvolgimento.

Il termine superavvolgimento altro non sta a significare che avvolgimento di qualcosa che è già avvolto. Un classico esempio che si fa in questi casi per rendere il significato del termine superavvolgimento applicato al DNA è il filo del telefono.

Come mostrato nell'immagine a lato, è un filo avvolto con un andamento ad elica simile al DNA e molti di noi avranno notato che delle volte tende ad aggrovigliarsi in maniera strana. Ciò è dovuto ad una torsione del filo che lo induce ad avvolgersi su se stesso,ecco un esempio di superavvolgimento (indicato nell'immagine dal termine supercoil). Il paragone è azzeccato perchè in fondo, come abbiamo appena detto, il filo del telefono presenta una struttura ad elica simile a quella del DNA, e fu prorio questa osservazione che spinse uno scienziato, Jerome Vinograd e colleghi a spiegare alcune proprietà dei piccoli DNA circolari. Il DNA è cotituito da due filamenti complementari che si avvolgono su se stessi attorno ad un asse immaginario un ulteriore ripiegamento o torsione della sua struttura determina un superavvolgimento. Da quanto accennato si può capire che la molecola di DNA per essere inserita in un ambiente piccolo come il nucleo presenterà per forza qualche forma di superavvolgimento. Il superavvolgimento è un importante aspetto della struttura terziaria del DNA. Vediamo le proprietà fondamentali del superavvolgimento e come esso si verifica.

Per comprendere appieno cosa è il superavvolgimento del DNA gli scienziati si sono focalizzati sui piccoli DNA circolari, come i plasmidi o i virus a DNA, in molti casi ciò che determina l'instaurarsi del superavvolgimento del DNA è un disalvvolggimento della stessa molecola, in parole povere, il DNA subisce una modificazione strutturale che causa una diminuzione del numero di giri d'elica.

Come mostrato nell'immagine a lato possiamo vedere un frammento di DNA circolare  in stato rilassato che presenta 8 giri d'elica, uno per ogni 10,5 coppie di basi per un totale di 84 coppie di basi. Se uno di questi giri è rimosso  nella molecola di DNA verrà indotta una deformazione strutturale con 12 coppie di base (b) per ogni giro d'elica invece delle 10,5 della struttura B. Ne consegue che tale deformazione rende la struttura meno stabile. Normalemente questa deformazione viene riequilibrata tramite l'avvolgimento dell'asse del DNA su se stesso per dare un superavvolgimento (c). Come mostrato nella figura (d) il disavvolgimento causa una separazione delle due eliche del DNA.

Le cellule mantengono in uno stato parzialemente disavvolto la molecola del DNA , ciò per facilitarne il processo di compattamento, inoltre il disalvoggimento è di fondamentale importanza per molti enzimi che partecipano ai processi che coinvolgono il DNA e che hanno tra le loro funzioni la separazione della doppia elica, lo stato parzialmente disavvolto può essere mantenuto solo se il DNA si trova in una forma chiusa o circolare o se è stabilizzato da proteine in modo tale che le sue catene complementari non siano in grado di ruotare su se stesse.
Il superavvolgimento però non è un processo del tutto casuale, è altamente regolato e ha una certa influenza sui meccanismi cellulari che coinvolgono il DNA. Infatti in ogni cellula vi sono enzimi che hanno il compito di avvolgere e svolgere la doppia elica. Gli enzimi che hanno il compito di determinare l'aumento o la diminuzione del disalvoggimento del DNA sono noti come topoisomerasi.

Possiamo distinguere tre tipi di DNA topoisomerasi.

Le topoisomerasi di classe I: risolvono il problema della tensione che abbiamo descritto prima, causato dall'avvolgimento e dallo svolgimento del DNA. Un esempio di come ciò avviene è mostrato nell'immagine sotto proveniente dal file PDB 1a36.

Questo enzima si avvolge attorno al DNA e fa un taglio in uno dei due filamenti. Poi, mentre resta aggrappato al punto appena tagliato, l'enzima permette all'elica di girare, per svolgere gli avvolgimenti in eccesso o in difetto. Quando il DNA si è rilassato, la topoisomerasi riconnette il filamento rotto, ripristinando il DNA a doppia elica.

Le DNA topoisomerasi appartenente alla classe I sono di due tipi:

Topoisomerasi IA: introducono una incisione in un polinucleotide e passano il secondo polinucleotide attraverso la lacuna che è stata formata. Le due estremità vengono poi risaldate. Questa modalità di azione modifica il numero di volte che un filamneto incrocia l'altro  in una molecola circolare.

Topoisomerasi IB: agiscono in maniera simile agli enzimi di tipo IA, anche se i dettagli del meccanismo sono diversi.

Districare il DNA

Le topoisomerasi di classe II: sono specializzate nel districare il DNA nel nucleo. Tagliano entrambi i filamenti della doppia elica, portando in tal modo alla formazione di una lacuna attraveso la quale viene passato un secondo segmento dell'elica. Negli eucarioti le topoisomerasi costituiscono la maggior parte della matrice nucleare, na rete simile ad una impalcatura  che attraversa tutto il nucleo e hanno la funzione di mantenere la struttura della cromatina e separare le molecole di DNA.

Per esempio, quando una cellula si sta dividendo, le copie del cromosoma devono essere separate.

Nel processo della separazione alcune regioni dei due cromosomi omologhi potrebbero attorcigliarsi tra di loro, creando dei veri e propri problemi nella separazione. La topoisomerasi di classe II risolve questo problema permettendo ad un'elica di DNA di passare attraverso l'altra. Taglia entrambi i filamenti di un DNA a doppia elica, mantenendo una presa fissa su entrambe le metà. Poi, passa l'altro filamento di DNA attraverso l'apertura, risolvendo il groviglio. Infine, ricuce insieme i terminali che aveva tagliato, ripristinando il DNA.

Le DNA topoisomerasi non svolgono esse stesse la doppia elica del DNA, ma risolvono il cosidetto problema topologico, controbilanciando il superavvolgimento che verrebbe introdotto nella molecola del DNA al momento del passaggio della forcina di replicazione. Tutto ciò permette alla doppia elica del DNA di essere aperta come fosse una chiusura lampo co i filamenti letteralmente tirati sui due lati opposti senza bisogno che la molecola ruoti.

Tossine e Trattamenti.

Ne consegue da quanto detto che il processo che causa il rilassamento della doppia elica con conseguente separazione di quest'ultima sono di fondamentale importanza per il corretto mantenimento del DNA. Quindi le topoisomerasi sono obiettivi ideali per i veleni. Se le topoisomerasi vengono bloccate, la cellula incontra dei problemi durante la trascrizione del DNA e durante la divisione cellulare. La chemioterapia del cancro sfrutta questo processo, usando farmaci che bloccano le topoisomerasi per uccidere le cellule cancerose che si dividono rapidamente. Per esempio, i farmaci che contengono antraciclina, come doxorubicin e daunorubicin, attaccano le topoisomerasi di classe II, mentre la tossina vegetale campotecina blocca l'azione rilassante delle topoisomerasi di classe I.