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I-motif, scoperta la nuova forma del DNA nelle nostre cellule

Per la prima volta in cellule vive è stato osservato un elusivo nodo intrecciato del DNA chiamato i-motif: si attiva nel nucleo durante la lettura del codice genetico

Uno studio evidenzia come il nostro DNA può avere strutture totalmente differenti da quella più “celebre” a doppia elica. Crediti immagine: Chris Hammang

APPROFONDIMENTO – Se pensando al DNA immaginate la “classica” doppia elica osservata nel 1953 da James Watson e Francis Crick, la nuova scoperta vi stupirà. Gli scienziati del Garvan Institute of Medical Research in Australia hanno osservato per la prima volta in una cellula viva una struttura del DNA che era stata fino ad oggi vista solo in vitro nei laboratori. Si tratta degli i-motif, dei particolari nodi intrecciati composti da quattro filamenti che si formano e si disfano nel nucleo cellulare. Proprio questa loro comparsa e scomparsa fa pensare che la nuova forma di DNA svolga un ruolo chiave nella lettura del codice genetico e per l’attivazione e disattivazione dei geni.

Il DNA, o acido desossiribonucleico, è una molecola che contiene l’informazione genetica delle cellule e anche di alcuni virus. Il colore dei capelli, della pelle e le caratteristiche fisiche di un individuo dipendono proprio dall’espressione del codice genetico custodito in questa molecola, che contiene tutte le informazioni necessaria alla produzione di migliaia di proteine presenti nel nostro corpo.

La molecola che custodisce il nostro codice genetico si trova nel nucleo cellulare di eucarioti, mitocondri ma anche cloroplasti ed è formata da unità chiamate nucleotidi, ognuno dei quali è costituito da una base azotata legata ad uno zucchero di 5 atomi di Carbonio e un gruppo fosfato. Le dimensioni dei singoli nucleotidi sono dell’ordine di grandezza dell’Angstrom, cioè del decimiliardesimo di metro, ma la lunghezza delle catene può essere elevata, dato che ne può contenere anche diversi milioni. Basti pensare che il cromosoma 1, cioè il cromosoma umano più grande, contiene quasi 250 milioni di paia di basi.

Nel 1953 grazie ad una fotografia a raggi X gli scienziati Watson e Crick osservarono per la prima volta la struttura a doppia elica del DNA, dove una coppia di filamenti sono saldamente associati tra loro e si intrecciano e la molecola è resa stabile dai legami idrogeno che si instaurano tra le quattro possibili basi azotate che si trovano sui due filamenti: adenina (A), citosina (C ), guanina ( G) e timina (T), dove A può legare solo con T e C solo con G.

Nell’articolo pubblicato su Nature Chemistry dai ricercatori del Garvan Institute of Medical Research guidati da Daniel Christ e Marcel Dinger invece la molecola di DNA è intrecciata in un nodo davvero differente, dato che le basi azotate C si legano tra loro e non con la G. Dinger ha spiegato:

“L’i-motif è un nodo di DNA a quattro fili. Nella struttura a nodo, le lettere C sullo stesso filamento di DNA si legano l’una all’altra, quindi è davvero diverso da una doppia elica, dove le lettere sui filamenti opposti si riconoscono l’un l’altra, e dove la C si lega alla G”.

Uno studio, sottolinea Christ, che evidenzia come il nostro DNA, formato da 6 miliardi di basi azotate A, C, G e T che trasportano il codice genetico nel profondo delle nostre cellule, può avere strutture che siano totalmente differenti da quella più “celebre” della doppia elica e soprattutto che diverse forme di DNA svolgono compiti diversi nel nostro corpo e per il suo funzionamento, e possono dunque essere altrettanto importanti.

Gli i-motif, composti dunque da quattro filamenti, erano fino ad oggi stati osservati solo in colture in vitro e per anni gli scienziati hanno dibattuto sulla possibilità di osservarli nelle cellule viventi. Una possibilità che è arrivato proprio grazie ai ricercatori, che per dargli la caccia hanno sviluppato un nuovo e preciso strumento. Si tratta di un frammento di anticorpo che riconosce gli i-motif e vi si attacca con una altissima affinità. Il frammento non è in grado di rivelare la forma elicoidale “classica” del DNA, né tantomeno di reagire in presenza di strutture G-quadruplex, anch’esse composte da 4 filamenti ma diverse dal target dello studio.

Il frammento di anticorpo ha permesso di identificare gli i-motif ad esso legati e con tecniche di fluorescenza che li mostravano come macchie verdi nella cellula gli scienziati sono riusciti ad individuarne la posizione e a studiarne i moti. Non solo infatti questa nuova forma di DNA si annida nel nucleo, come originariamente ipotizzato, ma le macchie tendono a sparire e ricomparire, come in una sorta di ciclo di formazione e dissolvenza continuo.

In particolare, gli i-motif appaiono in un punto preciso del ciclo vitale delle cellule, cioè alla fine della fase G1, quella in cui il DNA viene attivamente “letto”. Altra indicazione che fa luce sul suo possibile ruolo è la presenza di i-motif in alcune regione promotrici, ovvero quelle aree del DNA che controllano l’attivazione e la disattivazione dei geni, e ancora nei telomeri, le sezioni finali dei cromosomi che invece regolano il processo di invecchiamento.

Partendo dunque dalle zone e dal punto del ciclo vitale cellulare in cui questi speciali nodi intrecciati di DNA si formano, i ricercatori ritengono che gli i-motif svolgano un ruolo chiave nell’attivazione e la disattivazione dei geni, dunque che siano in grado di influenzare la lettura attiva di un singolo gene e in qualche modo la sua espressione. Se così fosse, gli i-motif potrebbero avere un ruolo attivo nell’espressione di qui geni che possono influenzare anche la salute dell’individuo, sancendo la comparsa o meno di una malattia genetica.

Scoprire questa elusiva struttura del DNA non è stato semplice e ora i ricercatori ne ipotizzano anche il motivo: la natura transiente degli i-motif, che appaiono e scompaiono solo in determinati momenti del ciclo cellulare, rende la loro osservazione difficoltosa, ma ci dà anche preziose informazioni sulla loro funzione. Una scoperta che non solo pone le basi per una nuova spinta alla comprensione del DNA e del nostro patrimonio genetico, ma che porta e nuove domande su come il nostro codice genetico viene letto e trascritto e sull’impatto che questo ha per ogni essere umano.

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Veronica Nicosia
Aspirante astronauta, astrofisica per vocazione, giornalista di professione. Laureata in Fisica e Astrofisica all'Università La Sapienza, vincitrice del Premio giornalistico Riccardo Tomassetti nel 2012 con una inchiesta sull'Hiv. Lavoro come giornalista per Blitzquotidiano e collaboro con Oggiscienza. Mi occupo di scienza, salute, tecnologia e ambiente.

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