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Molecola del mese di marzo 2000
La DNA polimerasi è l'enzima che crea una copia fedele del
DNA della cellula
 Introduzione
La DNA polimerasi ha un ruolo centrale nei processi
della vita. Ha la grande responsabilità di duplicare le nostre informazioni
genetiche. Ogni volta che una cellula si divide, la DNA polimerasi duplica
tutto il DNA, e la cellula ne passa una copia a ciascuna cellula figlia.
In questo modo, le informazioni genetiche vengono trasmesse di generazione
in generazione. Il DNA che abbiamo ereditato rappresenta un collegamento
vivente fra ogni nostra cellula e le prime cellule primordiali apparse
sulla Terra, un collegamento passato attraverso miliardi di generazioni.
Le informazioni contenute nel nostro DNA sono state modificate e migliorate
attraverso i millenni, e rappresentano il nostro bene più prezioso che
ci è stato donato dai nostri genitori alla nascita e che noi trasmetteremo
ai nostri figli.
Accuratezza
sorprendente
La DNA polimerasi è l'enzima più accurato. Crea
ogni volta una copia esatta del DNA e fa meno di un errore ogni miliardo
di basi. Questa accuratezza è molto migliore di quella con cui noi sappiamo
trattare le informazioni nel nostro mondo: immaginate di leggere mille
romanzi, e di trovare solamente un errore. L'eccellente corrispondenza
tra citosina a guanina e tra adenina e timina, che rappresentano l'alfabeto
del DNA, può spiegare molta della specificità necessaria per questa
grande accuratezza. Ma la DNA polimerasi fa ancora di meglio. Dopo aver
copiato ciascuna base, la controlla ancora una volta e la elimina se
la base è sbagliata.
DNA polimerasi I e indagini
di polizia
Il nostro DNA è unico, molto più di qualsiasi
impronta digitale. Il nostro DNA è una miscela di DNA materno e paterno,
a parte forse qualche piccola differenza dovuta a mutazioni. Questa
unicità è stata usata con successo come prova nei tribunali. Se viene
trovata una traccia biologica sulla scena di un crimine, il DNA può
essere estratto, analizzato e comparato col DNA di un sospetto colpevole.
Se risultano identici, il criminale è stato colto sul fatto.
Naturalmente, c'è troppo poco DNA in una goccia essiccata di sangue.
E' qui che la DNA polimerasi entra nel mondo dei tribunali. Un piccolo
campione di DNA viene moltiplicato usando la PCR (reazione a catena
della DNA polimerasi), creando un campione abbastanza grande da
essere analizzato con facilità. Una piccola quantità di campione viene
messa in una provetta e viene aggiunta la DNA polimerasi e gli altri
ingredienti necessari alla sintesi (primer di DNA e nucleotidi trifosfato).
Poi il campione viene scaldato per qualche istante, per separare le
due catene di DNA. A questo punto la DNA polimerasi costruisce un nuova
doppia elica da ciascuna catena. Poi queste due copie sono ancora scaldate
e duplicate producendo quattro copie. Dopo molti passaggi, si è formata
una grande quantità di catene di DNA identiche. La nostra DNA polimerasi,
e quella della maggior parte degli organismi, non sono adatte per questo
processo perchè sarebbero distrutte durante i passaggi di riscaldamento.
Per questo viene usata la DNA polimerasi I di Thermus aquaticus
un batterio che vive nelle acque termali calde. Questa polimerasi, mostrata
nella figura qui sopra (file PDB 1tau), sopporta temperature fino a 90°C, e può
essere usata durante tutti i passaggi di riscaldamento e raffreddamento
della PCR.
Lontani
parenti
Tutti gli organismi viventi possiedono una DNA
polimerasi. Alcune, come quelle illustrate qui a fianco, sono piuttosto
semplici: un solo enzima compie tutto il lavoro. Quelle che abbiamo
nelle nostre cellule sono più complesse, sono composte da più proteine
separate, la DNA
elicasi (mdm 12/2013) che svolge la doppia elica del DNA,
la primasi che costruisce un primer di RNA, e la DNA polimerasi
III che costruisce la nuova catena. Alcune hanno persino una proteina
a forma di anello che stringe la DNA polimerasi III alla catena
di DNA consentendole di lavorare più a lungo e più velocemente.
In una cellula spesso ci sono molte polimerasi diverse: la DNA
polimerasi III, più complessa, compie la maggior parte della duplicazione
del DNA quando la cellula si divide, la DNA polimerasi beta
aiuta nella ripararazione e nella manutenzione quotidiana del DNA,
la DNA polimerasi I, durante la duplicazione del DNA, elimina
il primer di RNA e lo sostituisce con nuovi nucleotidi usando il DNA
esistente come innesco.
Qui sotto sono illustrate tre semplici polimerasi, ognuna con un piccolo
pezzo di DNA legato. In ciascuna figura, la catena di DNA stampo è
magenta, la catena neo sintetizzata è verde e viene allungata verso
il basso.
A sinistra vi è la DNA polimerasi I di Escherichia coli (file PDB
1kln) in una versione troncata.
A destra vi è la DNA polimerasi beta umana (file PDB 1zqa).
Più sotto vi è una DNA polimerasi virale (file PDB 1clq).
Questi tre enzimi sono piuttosto diversi per dimensioni e forma, ma
tutti si avvolgono attorno al DNA e chiudono la parte terminale del
DNA in una tasca nella quale viene compiuta la reazione di sintesi.
 
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Per avere un'idea della complessità dal conpito svolto dalla
DNA polimerasi, guardate questa animazione
che mostra l'attività di duplicazione del DNA svolto da un
complesso enzimatico che contiene la DNA elicasi (azzurra)
e due copie dalla DNA polimerasi III (viola), una che agisce
in modo continuo sulla catena veloce, l'altra che agisce su corti
segmenti di DNA di circa 500 nucleotidi (detti frammenti di Okazaki)
piegati ad anello copiandoli in senso contrario all'avanzamento della
forcella di replicazione. Si vede inoltre la primasi
(verde scuro) e la proteina ad anello (verde chiaro). (www.wehi.edu.au/wehi-tv/molecular-visualisations-dna)
oppure (https://www.dnalc.org/resources)
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 Esplorando
la struttura
Queste semplici DNA polimerasi hanno approssimativamente
la forma di una mano. Entrambe provengono dai batteri: l'enzima sulla
sinistra proviene da Escherichia coli (file PDB 1kln) e l'enzima sulla destra proviene da Thermus
aquaticus (file PDB 1tau). L'enzima di E. coli è stato studiato
in una versione tronca: la parte mancante è mostrata con un contorno
verde. Lo spazio tra le "dita" e il "pollice" avrebbe proprio le dimensioni
adatte ad ospitare la doppia elica del DNA. Ma, sorprendentemente,
il DNA viene legato nel "palmo della mano" . In queste figure, la
catena madre è di colore porpora e la catena figlia è verde.
L'enzima contiene tre siti attivi diversi. Il sito polimerasi, vicino
alla cima in queste figure, sintetizza la nuova catena aggiungendo
i nucleotidi.
Il sito 5'-3' esonucleasi, vicino al centro nella DNA polimerasi di
E. coli, controlla che le basi appena aggiunte siano corrette.
La DNA polimerasi di Thermus aquaticus non ha questa capacità
di autocorrezione, forse il calore in cui vive compie la stessa funzione
provocando l'allontanamento dei nucleotidi legati in modo errato.
In basso vi è il sito 5' esonucleasi che rimuove i primer dalla catena
figlia del frammento che lo precede. I primer sono piccoli frammenti
di RNA che sono usati per iniziare la duplicazione del DNA.
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