Strutture alternative e strutture superiori degli acidi nucleici

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Maurizio Capone
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1 Strutture alternative e strutture superiori degli acidi nucleici Strutture alternative La struttura a doppia elica proposta da Crick e Watson, e che abbiamo sopra descritto, è quella ottenuta mediante diffrazione dei raggi-x di fibre di DNA in condizioni di alta umidità e quindi anche in soluzione acquosa come è la situazione in vivo. Questa struttura, che viene identificata come forma B, non è l'unica possibile; esistono infatti vari altri tipi di strutture che possono essere assunte dal DNA in particolari condizioni. Se si riduce l'umidità relativa in cui si trova la fibra di DNA, questo assume la forma A. Come mostrato in Tab.1 e Fig.1 questa è destrorsa come la forma B, ma differisce da questa per vari aspetti (1) le coppie di basi presentano una maggiore angolatura rispetto al piano perpendicolare all'asse della doppia elica; 2) ci sono 11 coppie di basi per ogni giro di elica; 3) il passo dell'elica è di 25 A e il diametro è di 23 A, quindi una forma un po' "tarchiata" rispetto alla forma B. Mentre la forma A può essere assunta da duplex di DNA solo in condizioni non naturali di bassa umidità, essa la si trova anche in vivo, quindi in soluzione acquosa, per duplex formati da due filamenti di RNA o da un filamento di DNA ed uno di RNA. Infatti la presenza del -OH nella posizione 2 del ribosio impedisce alla molecola di assumere la forma B. Tralasciamo qui varie altre forme (C, D, E e altre) che sono state descritte per acidi nucleici in varie condizioni ambientali (perlopiù presenza di ioni diversi) o per particolari sequenze di basi, limitandoci a descrivere la forma Z che di tutte è quella più peculiare. Come mostrato in Tab.1 e Fig.1, la caratteristica più perculiare della forma Z è il fatto di essere una elica sinistrorsa, anziché destrorsa come tutte le altre forme. I parametri dell'elica comprendono un diametro di 18 A e un passo di 46 A, quindi un'elica "magra e allungata" rispetto alla forma B. Questa struttura è stata scoperta studiando DNA sintetici in cui G e C si alternano lungo la sequenza, tuttavia sono state ottenute prove sperimentali che suggeriscono che una piccola percentuale del DNA presente nelle cellule si trova in forma Z. 1

2 Tab.1 Fig.1 2

3 Tripla elica In genere gli acidi nucleici, DNA e RNA, si trovano in forma di songolo filamento o di duplex, ma è stato trovato che in certi casi si possono formare anche delle regioni a tripla elica. Benché non sia stato dimostrato un ruolo naturale per questa struttura, essa riscuote un certo interesse perché potrebbe offrire la possibilità di sviluppare degli inibitori specifici per bloccare l'attività di geni bersaglio. Senza entrare troppo nei dettagli diciamo che, come mostrato nella Fig.2, un tratto di DNA duplex ragionevolmente lungo (20-30 coppie di basi) che abbia un filamento composto di sole pirimidine e l'altro di purine, può accogliere nel solco maggiore una terza catena polinucelotidica composta di sole pirimidine con la stessa sequenza del primo filamento di pirimidine ma con polarità invertita. In questo tratto le tre basi (due pirimidine e una purina) si affacceranno verso l'interno della struttura facendo legami idrogeno. In particolare, le purine formeranno legami H oltre che con le pirimidine del duplex anche con quelle della molecola extra, come mostrato nella Fig.2. Fig.2 3

4 Quartetti di G Un'altra interessante struttura si può formare in molecole di acidi nucleidi (DNA o RNA) a singolo filamento, quando sono presenti a breve distanza quattro tratti costituiti ciascuno da almeno 3 o 4 G. Come mostrato nella Fig.3 le quattro sequenze di G si dispongo in parallelo, due con orientamento 5' 3' in una direzione e due nella direzione opposta, così le 4 G che si affacciano all'interno della struttura possono formare legami idrogeno tra loro. E' stato suggerito che questa struttura si trovi nei telomeri dei cromosomi eucariotici e in alcune regioni introniche dei trascritti. Fig.3 4

Strutture cruciformi e strutture a forcina Quando in un duplex di DNA (o anche di RNA) sono presenti, adiacenti o a breve distanza, due copie della stessa sequenza in orientamento opposto queste

5 Strutture cruciformi e strutture a forcina Quando in un duplex di DNA (o anche di RNA) sono presenti, adiacenti o a breve distanza, due copie della stessa sequenza in orientamento opposto queste vengono chiamate ripetizioni invertite (vedi Fig.4). Se le due ripetizioni invertite sono adiacenti costituiscono, complessivamente, una sequenza palindromica, che è una sequenza di DNA duplex identica su entrambi i filamenti se letti nella stessa direzione, per es. 5' 3'. Fig.4 Le sequenze palindromiche, e più in genere le sequenze ripetute invertite presentano molte interessanti proprietà strutturali e funzionali. Ci limitiamo qui agli aspetti strutturali mentre avremo più avanti varie occasioni di considerare gli aspetti funzionali. Dal punto di vista strutturale, un duplex che contenga una sequenze ripetuta e invertita può assumere una struttura "crucifome" come mostrato nella Fig.5. Infatti ciascun filamento di una delle due sequenze ripetute trova una regione complementare cui appaiarsi adiacente nello stesso filamento. Le sequenze ripetute cosi appaiate intramolecolarmente costituiscono due "steli" mentre le basi che separano le due sequenze ripetute non hanno modo di appaiarsi e formano due "anse". Nell'insieme questo tratto di DNA assume una struttura detta "cruciforme". 5

6 Fig.5 Se prendiamo in considerazione un acido nucleico (DNA o RNA) a singolo filamento che abbia la stessa sequenza di uno dei due filamente del duplex appena descritto, è evidente che potrà assumere una struttura con uno stelo a doppia elica ed una ansa. In questo caso però non abbiamo una struttura cruciforme ma una struttura a "forcina". (Fig.6). Fig.6 6

7 Queste srutture sono estremamente importanti soprattutto per l'rna. Infatti il DNA si trova in genere in forma di duplex in cui i due filamenti sono perfettamente complementari e quindi appaiati tra loro. L'RNA invece è solitamente a singolo filamento, prodotto della trascrizione di uno dei due filamenti di DNA. In questo caso è facile che brevi tratti di sequenza, perlopiù di pochi nucleotidi ma alle volte anche abbastanza estesi, possano trovare nelle adiacenze sequenze complementari con cui appaiarsi per formare delle forcine. Quindi non ci si deve immaginare le molecole di RNA come singoli filamenti lineari distesi, ma piuttosto come strutture tridimensionali complesse comprendenti forcine a doppia elica e regioni non appaiate. Solo per anticipare qui un esempio che poi riprenderemo più avanti pensiamo alla struttura a trifoglio dei trna (RNA transfer). DNA superavvolto Vedi libro di testo. DNA curvo I parametri della struttura B del DNA a doppia elica, come descritti da Crick e Watson, descrivono una doppia elica molto regolare (Fig.7a). Nella realtà dei fatti lungo la molecola del DNA ci sono piccole variazioni strutturali locali che in alcuni casi possono influenzare la struttura complessiva della molecola. Un caso ben studiato è quello del DNA intrinsecamente "curvo". Se consideriamo due paia di basi che si susseguono nel duplex, spesso queste non sono perfettamente parallele tra loro ma fanno un piccolo angolo, diverso a seconda delle particolari paia di basi che prendiamo in considerazione. Per esempio due coppie di basi A:T adiacenti hanno una intrinseca tendenza a piegarsi dalla parte del solco minore, mentre due paia G:C hanno una tendenza inversa. Ne risulta che la doppia elica non è perfettamente dritta ma presenta piccoli piegamenti. Questi, essendo la sequenza di nucleotidi eterogenea e casuale, tendono a elidersi a vicenda cosicché nell'insieme la struttura della molecola, pur con qualche deformazione, resta più o meno dritta (Fig.7b). Se però un tratto di DNA contiene, per esempio, due o tre paia di basi A:T con una periodicità di circa 10 paia di basi (cioè ripetute ogni giro di elica), i piccoli angoli introtti si sommeranno tra loro producendo così una apprezzabile curvatura dell'asse della molecola di DNA (Fig.7c). Queste curvature intrinseche del DNA si 7

8 trovano alle volte in punti specifici del genoma, per esempio a monte di vari promotori, e in alcuni casi possono avere, come vedremo più avanti, una rilevanza funzionale. Fig.7 8

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