Il DNA segue un percorso a zig-zag all'interno di un canale creato da due anelli a 6 lati. Questo nuovo livello atomico realizzato con tecnologia cryo-EM, suggerisce come il DNA interagisce con i due anelli appena prima di essere separato in filamenti "principali" e "ritardati". Tutta la vita dipende da coreografie assolutamente precise, quando una cellula sta per replicare il suo DNA per creare due cellule. Credito:Van Andel Research Institute
La vita sarebbe impossibile se il DNA nelle cellule in divisione fosse replicato con qualcosa di meno che una precisione quasi perfetta. Ogni volta che una cellula nucleata si impegna a diventare due cellule, ogni "lettera" del suo genoma deve essere replicata una e una sola volta. Negli umani, il compito sbalordisce l'immaginazione. Se svolto, la doppia elica stipata in ciascuna delle nostre cellule misurerebbe 6 piedi di lunghezza. Solo nel nostro midollo osseo, ogni minuto nascono mezzo miliardo di nuove cellule. Queste cellule da sole contengono abbastanza DNA da avvolgere l'equatore terrestre 25 volte. Entro tolleranze scoraggianti, ogni nuova cellula deve avere un genoma identico a quello della cellula che l'ha partorita. Il cancro e altre malattie possono verificarsi quando il processo va storto.
Capire come funziona la replicazione accurata a livello di singole molecole e atomi è uno dei grandi successi della scienza moderna. Il viaggio degli investigatori non è ancora finito, però. Una parte importante del puzzle irrisolta è capire come inizia l'intero processo di copia del genoma. In una nuova ricerca, sta diventando chiara la comprensione di come i due supporti della doppia elica si separino nelle prime fasi della replicazione.
Una collaborazione di lunga data di ricercatori a Londra, Grandi rapide, Il Michigan e il Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) di New York riportano la struttura a livello atomico di enzimi elicasi gemelli caricati testa a testa, con la doppia elica del DNA visibile nel canale circolare che attraversa entrambe le elicasi. La configurazione, una parte del complesso pre-replicativo (pre-RC), non è mai stato ripreso con successo in questa configurazione prima d'ora.
L'impresa è stata resa possibile da una nuova struttura di microscopia ciroelettronica (cryo-EM) presso il Van Andel Research Institute, casa di uno degli investigatori principali, Il dottor Huilin Li. Il Dr. Li ha collaborato con il Dr. Bruce Stillman del CSHL e il Dr. Christian Speck, Professore di biochimica del genoma e biologia molecolare all'Imperial College di Londra da oltre una dozzina di anni. Nel 1992, Stillman e colleghi hanno scoperto il complesso proteico chiamato complesso di replicazione dell'origine (ORC), che assembla complessi proteici in molti punti chiamati "siti iniziali" lungo la doppia elica, dove inizia la replica. Il lavoro del Dr. Speck ha mostrato che l'ORC si combina con altre proteine:Cdc6, Cdt1 e l'esamero di Mcm2-7—per iniziare il processo di duplicazione del DNA.
Una grande quantità di sforzi passati ha rivelato come l'ORC assembla e trova i siti di partenza. Ci sono molti di questi siti, organizzato per domini, nel complesso genoma umano; molti meno in forme di vita più semplici come il lievito di birra. La nuova ricerca riguarda ciò che accade dopo il riconoscimento iniziale dei siti di inizio e come potrebbe essere svolta l'elica del DNA.
La doppia elica del DNA segue un percorso a zig-zag all'interno di un canale creato da due anelli a 6 lati. Questa nuova vista a livello atomico realizzata con la tecnologia cryo-EM, suggerisce come il DNA interagisce con i due anelli appena prima di essere separato in filamenti "principali" e "ritardati". Tutta la vita dipende da coreografie assolutamente precise, quando una cellula deve replicare il suo DNA per formare due cellule. Credito:Van Andel Research Institute
Come vividamente mostrato nelle nuove immagini "crio-EM", " i gemelli enzimi elicasi Mcm2-7 a sei facce che circondano la doppia elica sembrano insetti simmetrici o, forse, navicella spaziale gemella attraccata testa a testa. La domanda a cui risponde la nuova struttura è come si trova la doppia elica all'interno del canale che formano, e come il DNA interagisce con la struttura circostante. Sulla base di questa nuova conoscenza, comprensione di come i due filamenti di DNA si separano, a lungo un mistero, comincia ad essere scoperto.
"Le nuove immagini mostrano che una volta caricato nel doppio esamero, o DH, come chiamiamo le elicasi testa a testa - la doppia elica segue un percorso a zig-zag attraverso il canale centrale, che è un po' attorcigliato, " spiegano gli autori. "I due esameri a forma di botte sono posizionati in modo tale da essere pronti a srotolare la doppia elica quando vengono attivati".
Una conseguenza è particolarmente importante:la torsione nella struttura del complesso formato dai doppi anelli crea uno sforzo di torsione:si caricano con una tensione intrinseca che li rende qualcosa di simile a una molla a spirale. Dettagli nella struttura non visti in precedenza rivelano come varie subunità proteiche degli esameri gemelli si attaccano alla doppia elica, tramite minuscole strutture ad anello.
Lo scenario proposto da Li, Speck, Stillman e i loro colleghi è che i due esameri si caricano in tensione, facendo sì che uno dei due filamenti del DNA che li attraversa si raccolga letteralmente contro una "porta" chiusa su un lato dell'anello, e l'altro filo contro un'altra "porta" chiusa sul lato opposto. Il team propone che una delle due porte si apra quando il processo di replicazione è attivato (attraverso l'intervento di protein chinasi e altre molecole helper).
Attraverso la porta aperta nell'elicasi - ma solo da un lato - viene espulso un filo della doppia elica, o "estruso". Il team propone che diventi quello che viene chiamato il "filo in ritardo" nel processo di replicazione del DNA. L'altro filone, rimanendo al centro del canale elicoidale, diventa il "filo principale" nella replica. I motori molecolari caricati sui due esameri forniscono energia per la loro separazione. Un'elicasi attivata passa l'altra, poiché la replicazione di ciascun filamento procede in direzioni opposte, come dedotto dai biologi decenni fa.
Le ultime strutture sono state rese possibili dai progressi nella tecnica chiamata crio-microscopia elettronica, dove passa un fascio di elettroni congelato, singole particelle di DNA proteico per ottenere un'immagine tridimensionale a livello atomico. I principali sviluppatori del metodo, che ora è ampiamente utilizzato, ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica 2017.
