Evoluzione della comprensione del DNA: dalle scoperte iniziali alle funzioni

Scoperta della nucleina

Nel 1869 il medico svizzero Friedrich Miescher scoprì nel nucleo dei globuli bianchi una sostanza ricca di fosfato che chiamò nucleina.
Negli anni ‘20 si diventò consapevoli che i cromosomi sono fatti di DNA e proteine, non si sapeva però quale dei due fosse il materiale genetico. I presupposti dei biologi erano che il materiale genetico:

1. deve essere in quantità differenti a seconda delle specie;

2. deve avere la capacità di duplicarsi;

3. dev’essere in grado di agire all’interno della cellula regolandone lo sviluppo.

Esperimenti di Frederick Griffith

Nel 1928 il medico inglese Frederick Griffith studiando il batterio pneumococco, responsabile della polmonite umana, scoprì la sostanza trasformante.

N.B. Griffith lavorava con due ceppi diversi di pneumococco: il ceppo S con capside liscio e virulento e il ceppo R senza capside ruvido e non virulento. Nel suo esperimento inoculò in alcuni topolini degli pneumococchi S uccisi dal calore ed osservò che i batteri venivano disattivati; successivamente, però, somministrò ai topi una miscela tra batteri R vivi e batteri S inattivi, notando che gli animali contraevano la polmonite e morivano. Concluse quindi che alcuni pneumococchi R vivi si erano trasformati in organismi del ceppo virulento S.

Successivamente altri studiosi cercarono di isolare la sostanza trasformante come Oswald Avery che sottopose il fattore di trasformazione dello pneumococco a vari trattamenti per distruggere diversi tipi di molecole (proteine, lipidi, carboidrati, ecc.) e l’unica sostanza che, distrutta, faceva perdere l’attività di trasformazione era il DNA (trasformazione: trasferimento del gene che codifica per una proteina che costruisce il capside del batterio).

Perché il DNA è considerato materiale genetico?

Nel 1952 i genetisti statunitensi Alfred Hersey e Matrha Chase confermarono con un esperimento sul batteriofago T2 che il materiale genetico è il DNA.

N.B. Hersey e Chase lavorarono con il batteriofago T2, un virus fatto solo di DNA e proteine, che sfrutta i batteri per riprodursi e già dopo circa 20 minuti comincia a produrre virus. I due studiosi marcarono le proteine con lo zolfo (35S) e il DNA con il fosforo (32P). Esaminarono così il batterio colpito dal virus; dopo la centrifugazione le parti del virus che non sono penetrate nel batterio rimangono in sospensione mentre il batterio con le parti del virus che sono penetrate si trovano sul fondo: queste ultime contengono il 32P e quindi il DNA.

Scoperta della struttura del DNA

Successivamente per definire la struttura del DNA sono stati fatti numerosi esperimenti e Rosalind Franklin scoprì che la molecola era a forma di doppia elica grazie alla cristallografia a raggi X (ottenuta anche grazie al lavoro di Maurice Wilkins).

Nel 1950 Erwin Chargaff scoprì alcune irregolarità nella composizione del DNA:

- La percentuale dei quattro tipi di nucleotidi è sempre la stessa nel DNA di cellule provenienti da tessuti diversi dello stesso individuo;

- La composizione delle molecole non è influenzata da fattori esterni o dall’età dell’organismo;

- Il rapporto tra la percentuale di A e G varia da una specie all’altra;

- In tutte le specie A=T e C=G.

Modello tridimensionale del DNA

Watson e Crick interpretarono tutti i dati e si sforzarono di mettere insieme un unico modello tridimensionale della struttura del DNA.

Dal modello si capì che ogni catena era un polimero di nucleotidi, ciascuno dei quali composto da una base azotata (T, A, G, C), da uno zucchero (desossiribosio) e da un gruppo fosfato. L’ossatura del polimero era costituito dallo zucchero e dal gruppo fosfato legati insieme mediante legame covalente (condensazione tra il gruppo OH del desossiribosio in posizione 3’ e 5’ ed un gruppo OH del fosfato).

Le due catene polinucleotidiche sono tenute insieme da legami a idrogeno tra le basi azotate complementari (A due legami con T e G tre legami con C). Le coppie AT e GC hanno la stessa dimensione e lunghezza e quindi il diametro del DNA è costante e ogni coppia di basi è ruotata rispetto alla precedente di 36° e ogni 10 coppie fa un giro completo. L’elica è destrogira.

Funzioni del DNA

Watson e Crick capirono anche le quattro funzioni importanti del DNA:

1. È sede del patrimonio genetico e quindi dell’informazione genetica; le informazioni genetiche sono contenute nelle basi azotate che rappresentano la parte variabile del DNA.

2. Il materiale genetico va incontro alla duplicazione durante la fase S del ciclo cellulare.

3. Il materiale genetico è soggetto a mutazioni (cambiamenti permanente dell’informazione genetica del DNA, cioè una variazione della sequenza delle coppie di basi).

4. Il materiale genetico trova espressione nel fenotipo e questo dipende dall’ RNA che copia la sequenza nucleotidica e che a sua volta produce una sequenza di aminoacidi che non sono altro che una proteina con funzione particolare.