Biologia molecolare: DNA, duplicazione e sintesi proteica

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Che il DNA — e non le proteine — fosse il materiale ereditario non era ovvio: lo dimostrarono l'esperimento di trasformazione di Griffith reinterpretato da Avery, MacLeod e McCarty (1944) e l'esperimento con i batteriofagi marcati di Hershey e Chase (1952). Il modello a doppia elica nacque poi dall'incrocio di due prove quantitative: le regole di Chargaff («[A] = [T]», «[G] = [C]») e la fotografia di diffrazione ai raggi X n. 51 di Rosalind Franklin, il cui schema «a X» rivelava una struttura elicoidale regolare con ripetizioni a «0.34 nm» e «3.4 nm». Un secondo grande tema strutturale è la compattazione: una cellula umana contiene circa «2 m» di DNA che devono stare in un nucleo di pochi micrometri. Il DNA si avvolge attorno a ottameri di istoni formando i nucleosomi («≈ 147» coppie di basi per nucleosoma), che a loro volta si ripiegano nella fibra di cromatina e infine nel cromosoma. Enzimi detti topoisomerasi tagliano e risaldano i filamenti per gestire la torsione e il superavvolgimento («supercoiling») che si accumulano quando l'elica viene aperta. Questo impacchettamento non è solo un problema di spazio: il grado di condensazione della cromatina regola l'accessibilità dei geni e quindi la loro espressione, tema centrale della genetica eucariotica.

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La forcella di replicazione è servita da una macchina molecolare, il replisoma, che coinvolge più enzimi oltre a quelli citati. La topoisomerasi (DNA girasi nei batteri) precede l'elicasi e allenta il superavvolgimento che si accumulerebbe davanti alla forcella man mano che l'elica viene svolta; le proteine leganti il singolo filamento (SSB) mantengono separati i due stampi impedendo loro di riappaiarsi; una «pinza scorrevole» (sliding clamp) tiene ancorata la DNA polimerasi allo stampo aumentandone la processività. La replicazione parte da ogni origine in modo bidirezionale, con due forcelle che divergono. Un limite intrinseco riguarda i cromosomi lineari degli eucarioti: quando l'ultimo primer dell'RNA sul filamento lento viene rimosso, la DNA polimerasi non può riempire il vuoto lasciato all'estremità 3' dello stampo, perché mancherebbe un 3'-OH a monte (problema di replicazione delle estremità). A ogni divisione i cromosomi si accorcerebbero, se non intervenisse la telomerasi, che allunga i telomeri — sequenze ripetute e non codificanti alle estremità. Nelle cellule somatiche la telomerasi è per lo più inattiva, e il progressivo accorciamento dei telomeri contribuisce al limite di Hayflick e all'invecchiamento cellulare; la sua riattivazione è invece tipica delle cellule tumorali. L'attività di correzione della polimerasi, unita alla riparazione degli appaiamenti errati (mismatch repair), abbassa il tasso di errore a circa «1 su 10⁹» basi.

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Lo splicing non è solo rifinitura: negli eucarioti lo splicing alternativo permette a un singolo gene di dare origine a più mRNA maturi diversi, combinando gli esoni in modi differenti, e quindi a più proteine. È il motivo per cui il genoma umano, con «≈ 20 000» geni, può codificare un proteoma assai più ampio: il numero di geni non corrisponde al numero di proteine. Lo spliceosoma che esegue il taglio è un complesso di piccole ribonucleoproteine nucleari (snRNP) in cui la catalisi è svolta dall'RNA stesso: alcuni introni («introni del gruppo I e II») sono addirittura autocatalitici (ribozimi), scoperta che ha rafforzato l'ipotesi del «mondo a RNA», in cui l'RNA precedette le proteine come catalizzatore e il DNA come depositario dell'informazione. Negli eucarioti esistono inoltre tre RNA polimerasi distinte (Pol I, II, III) specializzate per classi diverse di RNA, mentre i procarioti ne hanno una sola. Il riconoscimento del promotore da parte della Pol II richiede fattori di trascrizione che si assemblano su sequenze consenso come la «TATA box». Cap al 5' e coda poli-A al 3', infine, non proteggono soltanto l'mRNA: regolano anche l'efficienza della traduzione e la sua emivita, offrendo alla cellula ulteriori leve di controllo post-trascrizionale.

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La ridondanza del codice ha una spiegazione molecolare elegante nell'ipotesi del vacillamento (wobble) formulata da Crick nel 1966: l'appaiamento tra la terza base del codone e la prima dell'anticodone è meno rigido delle altre due, così un solo tRNA può riconoscere più codoni che differiscono solo nella terza posizione. È per questo che bastano una quarantina di tRNA a leggere i 61 codoni codificanti. La fedeltà della traduzione dipende però da un altro livello, spesso definito «secondo codice genetico»: gli enzimi amminoacil-tRNA sintetasi caricano ciascun tRNA con l'amminoacido corretto, e un errore a questo stadio non verrebbe corretto a valle. Il ribosoma stesso è un ribozima: il legame peptidico è catalizzato dall'rRNA della subunità maggiore (attività peptidil-transferasica), non da una proteina — altra prova a sostegno del «mondo a RNA». Durante l'allungamento l'mRNA scorre attraverso tre siti del ribosoma, «A» (arrivo dell'amminoacil-tRNA), «P» (peptidil-tRNA che porta la catena) ed «E» (uscita del tRNA scarico), con una traslocazione a ogni codone. Più ribosomi possono tradurre lo stesso mRNA contemporaneamente formando un polisoma. Il dogma centrale, infine, ammette un'eccezione: nei retrovirus la trascrittasi inversa copia l'RNA in DNA, invertendo il verso abituale del flusso dell'informazione.