INTRODUZIONE - e

La Topologia
La topologia è quella branca della matematica che studia le proprietà
delle strutture che non si modificano quando sono sottoposte a
deformazione.
 - SUPERAVVOLGIMENTO DEL DNA
La struttura circolare dei cromosomi procariotici e l'organizzazione in domini
del
DNA
eucariotico
data
dall'ancoraggio
della
fibra
all'impalcatura
cromosomica o alla matrice nucleare rendono il DNA in vivo generalmente
una molecola chiusa e priva di estremità libere
Da questo o meglio dall'impossibile libera rotazione delle estremità che ne
deriva nasce la possibilità della formazione di superavvolgimenti Si ha un
superavvolgimento ogni volta che la doppia elica ruotando nello spazio si
avvolge intorno al proprio asse
Il superavvolgimento è negativo quando consiste in una rotazione in senso
opposto a quello di avvolgimento del DNA come nel caso del DNA A e B;
positivo quando la rotazione è nella stessa direzione dell'avvolgimento del
duplex (figura 1)
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Fig.1
Nel caso di superavvolgimenti negativi il DNA si dice sottospiralizzato mentre
è superspiralizzato quando il DNA è avvolto in superavvolgimenti positivi
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Le proprietà topologiche della molecola sono quelle proprietà geometriche che
non variano in seguito a deformazione del DNA
La topologia e il grado di superavvolgimento sono descritti mediante
l'equazione Lk = Tw + Wr (Fuller 1978) dove Lk rappresenta il numero di
legame che è il numero totale di volte con cui un filamento si incrocia su un
altro in una molecola chiusa di DNA Per convenzione il numero di legame
viene considerato positivo per ogni incrocio dei filamenti nella doppia elica
destrorsa; il suo valore è inoltre espresso da un numero intero (Bauer et al .
1980)
Il numero di legame è composto da Tw (twist number) che è il numero di
avvolgimento ovvero il numero totale di giri d'elica del duplex (Tw = n / A, dove
n è il numero di nucleotidi delle molecole ed A il numero di nucleotidi per giro
d’elica) e da Wr (writhing number) o numero di superavvolgimento, che
esprime i ripiegamenti dell’asse su sé stesso
Per una molecola rilassata il numero di legame corrisponde al numero di
avvolgimento (Lk = Tw)
Mediante il numero di legame o meglio la differenza del numero di legame
(Lk = Wr + Tw) è possibile descrivere i cambiamenti topologici del DNA Il
numero di legame è proprietà intrinseca del duplex e non può cambiare a
meno che si verifichino rotture dei filamenti
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Le interconversioni fra i vari topoisomeri mediante reazioni di taglio
svolgimento o avvolgimento della molecola e ricongiunzione delle estremità
tagliate avvengono ad opera delle DNA topoisomerasi.
Molecole di DNA identiche a meno del numero di legame vengono dette
isomeri topologici o topoisomeri e sperimentalmente possono essere separate
ricorrendo a tecniche di elettroforesi: una molecola di DNA rilassata infatti
migra più lentamente della sua corrispondente superavvolta a causa
del diverso comportamento idrodinamico.
CONSEGUENZE DEL SUPERAVVOLGIMENTO DEL DNA:
La molecola superavvolta è ad un livello energetico superiore rispetto a quella
rilassata ed il superavvolgimento è considerabile come una riserva di energia
Processi quali replicazione trascrizione e ricombinazione richiedono uno
svolgimento locale del DNA; qualsiasi forza torsionale che agevola lo
svolgimento faciliterà la realizzazione di questi processi
L’energia in eccesso posseduta dal DNA superavvolto negativamente può
essere utilizzata per fornire l’energia necessaria a separare la molecola nei
due filamenti che la compongono o almeno per dare l’avvio a tale processo
In altri termini il superavvolgimento negativo, avendo verso opposto rispetto
all’avvolgimento del DNA destrorso, causa una diminuzione delle costrizioni
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topologiche permettendo al DNA di subire transizioni strutturali che non
potrebbe compiere se fosse rilassato
Il grado medio di superavvolgimento stimato intorno ad uno ogni 200 paia di
basi fluttua lungo il genoma
(Sinden 1980)
Una misura del grado di superavvolgimento è rappresentata dalla densità di
superelica  LK / Lk ° proporzionale alla variazione del numero di legame
rispetto a molecole rilassate infatti Lk ° è il valore del numero di legame di una
molecola di DNA rilassata
In presenza di forti variazioni della densità di superelica è possibile prevedere
che localmente lungo il DNA si possano generare strutture diverse da quelle
del DNA B che richiedono una elevata energia di attivazione per formarsi. La
formazione di tali strutture è nella maggior parte dei casi associata a valori di
densità di superelica negativi ed avvengono a scapito della riduzione del
superavvolgimento globale del resto della molecola I principali tipi di strutture
alternative osservate sono rappresentate dal DNA Z (Wang et al. 1979)
strutture a tripla elica strutture a quadrupla elica (Zakian 1989) strutture
cruciformi (Pearson et al. 1998) strutture di scivolamento (Sinden 1984)
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