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Lmwbg'mwbwandrea scempio colpevole o mwcadeossiribonucleico (sigla mwcqDNA, dall'mwcginglese mwcwDeoxyriboNucleic Acidcite-ref-1[1]cite-ref-2[2]cite-ref-3[3]) è l'mwgaacido nucleico che contiene le mwgqinformazioni genetiche per lo sviluppo, l'mwggomeostasi e la riproduzione di tutti gli mwgwesseri viventi conosciuti. Costituisce inoltre la molecola base del funzionamento di una piccola minoranza dei mwhavirus.cite-ref-4[4]

Dal punto di vista chimico, il DNA è un mwigpolimero organico a doppia catena i cui mwiwmonomeri sono chiamati mwjanucleotidi (desossiribonucleotidi).cite-ref-5[5] I nucleotidi sono costituiti da tre componenti fondamentali: un mwkqgruppo fosfato, uno mwkgzucchero (il mwkwdeossiribosio) e una mwlabase azotata, legata al mwlqglucide con un mwlglegame N-glicosidico. Le basi azotate che entrano nella formazione dei nucleotidi sono quattro: mwlwadenina, mwmatimina, mwmqcitosina e mwmgguanina (nell'RNA al posto della timina è presente l'mwmwuracile). La doppia catena polinucleotidica del DNA ha struttura antiparallela, spiralizzata e complementare poiché le basi azotate di una catena si accoppiano con l'altra con mwnalegami idrogeno secondo lo schema: mwnqA-mwngT e mwnwG-mwoaC.

La sequenza dei nucleotidi costituisce il mwogcodice genetico, che è tradotto negli mwowamminoacidi corrispondenti. La sequenza amminoacidica prodotta forma le proteine. Il processo della mwpasintesi proteica avviene tramite la sintesi di una molecola mwpqintermedia di mwpgRNA (mwpwRNA messaggero), che è formata per complementarità con le quattro basi dei nucleotidi del DNA in un processo noto come mwqatrascrizione. Il DNA non genera solo filamenti di RNA destinati alla traduzione in aminoacidi, ma anche frammenti in grado di svolgere svariate funzioni biologiche, ad esempio all'interno dei mwqqribosomi, dove l'RNA ha una funzione strutturale.

Negli mwqweucarioti, il DNA si complessa all'interno del mwranucleo in strutture chiamate mwrqcromosomi. Negli altri organismi, privi di nucleo, esso può essere organizzato in cromosomi o meno (nei batteri è presente un'unica molecola di DNA circolare a doppia catena). All'interno dei cromosomi, le proteine della mwrgcromatina come gli mwrwistoni, le mwsacoesine e le condensine organizzano il DNA e lo avvolgono in strutture ordinate. Queste strutture guidano l'interazione tra il codice genetico e le proteine responsabili della trascrizione, contribuendo al controllo della trascrizione genica. Nel corso della mwsqmitosi avviene la mwsgreplicazione del DNA, con cui l'informazione genica è trasmessa integralmente nel passaggio tra diverse generazioni cellulari.

• Storia

• Struttura

• Appaiamento delle basi

• Senso e antisenso

• Superavvolgimento

• Strutture alternative della doppia elica

• Strutture alternative alla doppia elica

• Modificazioni chimiche

• Modificazioni di basi

• Danni al DNA

• Localizzazione del DNA

• Procarioti

• Eucarioti

• Funzioni biologiche

• Struttura del genoma

• Trascrizione e traduzione

• Replicazione

• Interazioni con proteine

• Proteine che legano il DNA

• Enzimi che modificano il DNA

• Ricombinazione genetica

• Evoluzione del metabolismo del DNA

• Utilizzi del DNA

• Ingegneria genetica

• Medicina forense

• Bioinformatica

• DNA in informatica e nanotecnologie

• Storia e antropologia

• DNA ambientale eDNA

• Note

• Bibliografia

• Voci correlate

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

Il DNA fu inizialmente isolato dal biochimico mwtgsvizzero mwtwFriedrich Miescher, il quale, nel mwua1869, individuò una sostanza microscopica contenuta nel mwuqpus di bende chirurgiche utilizzate. Dal momento che tale molecola aveva la sua localizzazione nel mwugnucleo, egli la chiamò mwuwnucleina.cite-ref-6[6] Nel mwwa1919 mwwqPhoebus Levene individuò la struttura del nucleotide, composta da base azotata, zucchero e fosfato.cite-ref-7[7] Levene suggerì che il DNA consistesse in un filamento di nucleotidi legati tra loro attraverso i fosfati. Egli, però, era convinto che tale filamento fosse corto e che le basi fossero disposte secondo un preciso ordine ripetuto. Nel mwxg1937 mwxwWilliam Astbury presentò i primi risultati di alcuni studi di mwyadiffrazione a raggi X, i quali dimostrarono che il DNA ha una struttura estremamente regolarecite-ref-8[8]. Nel mwzq1944 mwzgErwin Schrödinger asserì che, visto che secondo la fisica quantistica i sistemi di pochi atomi hanno un comportamento disordinato, il materiale genetico doveva essere costituito da una grande molecola non ripetitiva, sufficientemente stabile da mantenere l'informazione genetica, chiamata "cristallo aperiodico".cite-ref-9[9]

Nel mwba1928 mwbqFrederick Griffith scoprì che i mwbgcaratteri della forma mwbwsmooth ("liscia") di mwcamwcqPneumococcus potevano essere trasferiti alla forma mwcgrough ("rugosa"), miscelando i resti di mwcwbatteri mwdasmooth morti con batteri mwdqrough vivi.cite-ref-10[10] Questo sistema, pur non fornendo nessuna evidenza su quale fosse la sostanza che determinava il cambiamento, mostrava che qualcosa potesse trasportare l'informazione genetica dai resti dei batteri morti a quelli vivi. Si parlò quindi di un mwegprincipio trasformante in grado di modificare i batteri vivi. Nel mwew1943 mwfaOswald Theodore Avery dimostrò, in un mwfqcelebre esperimento insieme a mwfgColin MacLeod e mwfwMaclyn McCarty, che il DNA è il mwgaprincipio trasformante alla base di questo fenomeno.cite-ref-11[11] Il ruolo del DNA nell'mwhqereditarietà è stato provato, infine, nel mwhg1953 da mwhwAlfred Hershey e mwiaMartha Chase attraverso un altro mwiqclassico esperimento, che dimostrò che il materiale genetico del mwigfago T2 è effettivamente il DNA.cite-ref-12[12]

Il 1953 è anche l'anno in cui, attraverso ulteriori immagini da diffrazione a raggi Xcite-ref-fwpub-13-0[13] realizzate da mwlqRosalind Franklin, chimica-fisica inglese, mwlgJames Watson e mwlwFrancis Crick presentaronocite-ref-fwpub-13-1[13], sulla rivista mwnamwnqNature, quello che è oggi accertato come il primo modello accurato della struttura del DNA,cite-ref-watson-14-0[14] ovvero il modello a mwogdoppia elica. A disegnarne il bozzetto fu mwowOdile Speed, pittrice e moglie di Crick. Le evidenze sperimentali a supporto del modello di Watson e Crick furono riportate in una serie di cinque articoli pubblicati sullo stesso numero di Nature.cite-ref-naturedna50-15-0[15] Tra questi figurava l'articolo della mwqaFranklin e di mwqqRaymond Gosling, che conteneva i dati di diffrazione a raggi X, fondamentale per sostenere il modello.cite-ref-natfrangos-16-0[16]cite-ref-17[17] Tale numero conteneva anche un articolo sulla struttura del DNA scritto da mwsgMaurice Wilkins.cite-ref-natwilk-18-0[18] Nel mwtw1962, dopo la morte di Rosalind Franklin (a causa di un tumore provocato, probabilmente, dalle alte dosi di raggi X a cui si era esposta nel corso dei suoi esperimenti), Watson, Crick e Wilkins ricevettero congiuntamente il mwuaPremio Nobel per la medicina.cite-ref-19[19] Un articolo pubblicato nel 2023 sulla rivista scientifica mwvqNature ha fatto il punto sulla questione, spiegando che la scoperta fu dovuta ad un lavoro collettivo, che comprendeva Watson, Crick, Wilkins, Franklin ed anche Raymond Gosling. Ognuno partecipò alle ricerche ed alle elaborazioni del modello, con diverse competenze e funzioni. mwvgmwvw.

In un'importante presentazione del mwwq1957, Crick propose il mwwgdogma centrale della biologia molecolare, che fissa le relazioni tra DNA, RNA e proteine.cite-ref-20[20] La conferma finale del meccanismo di replicazione basato sulla struttura a doppia elica fu fornita nel mwxw1958 dall'mwyaesperimento di Meselson-Stahl.cite-ref-21[21] Un successivo lavoro di Crick dimostrò come il codice genetico fosse basato su triplette di basi non sovrapposte, permettendo ad mwzqHar Gobind Khorana, mwzgRobert Holley e mwzwMarshall Warren Nirenberg di decifrarlo.cite-ref-22[22] Queste scoperte sono alla base della moderna mw1abiologia molecolare.

Nel mw1g1961 mw1wMarshall Nirenberg e mw2aSevero Ochoa scoprono che ogni tripletta di mw2qnucleotidi codifica per uno specifico amminoacido.

Il DNA è un lungo mw4apolimero costituito da unità ripetute di mw4qnucleotidi.cite-ref-alberts-23-0[23]cite-ref-butler-24-0[24] La catena del DNA è larga tra i 22 e i 26mw6g mw6wÅngström (da 2,2 a 2,6mw7a mw7qnanometri) e ogni unità nucleotidica è lunga 3,3mw7g Ångstrom (0,33mw7w nanometri).cite-ref-25[25] Sebbene ogni unità occupi uno spazio decisamente ridotto, la lunghezza dei polimeri di DNA può essere sorprendentemente elevata, dal momento che ogni filamento può contenere diversi milioni di nucleotidi. Ad esempio, il più grande mw9acromosoma umano (il mw9qcromosoma 1) contiene quasi 250 milioni di mw9gpaia di basi.cite-ref-26[26]

Negli organismi viventi, il DNA non è quasi mai presente sotto forma di singolo filamento, ma come una coppia di filamenti saldamente associati tra loro.cite-ref-watson-14-1[14]cite-ref-berg-27-0[27] Essi si intrecciano tra loro a formare una struttura definita mwaqqdoppia elica. Ogni nucleotide è costituito da uno mwaquscheletro laterale, che ne permette il mwaqylegame covalente con i nucleotidi adiacenti, e da una base azotata, che instaura mwaqclegami idrogeno con la corrispondente base azotata presente sul filamento opposto. Il composto formato da una base azotata legata allo zucchero è definito mwaqgnucleoside; un mwaqknucleotide è invece un nucleoside a cui sono legati uno o più gruppi fosfato.cite-ref-iupac-28-0[28]

La struttura laterale del DNA è composta da unità ripetute e alternate di gruppi fosfato e di 2-deossiribosio,cite-ref-ghosh-29-0[29] uno zucchero mwarmpentoso (a cinque mwarqatomi di mwarucarbonio) che si lega ai fosfati adiacenti attraverso mwarylegami fosfodiesterici presso il terzo e il quinto carbonio; in pratica, ogni molecola di fosfato forma un ponte molecolare collegando, attraverso legami fosfodiesterici, il carbonio in posizione 3′ di una molecola di deossiribosio con quello in posizione 5′ dello zucchero successivo. Conseguenza di questi legami asimmetrici è che ogni filamento di DNA ha un senso, determinato dalla direzione dei legami fosfodiesterici. Le basi azotate, invece, si uniscono in posizione 1' dello zucchero desossiribosio con legami N-glicosidici. In una doppia elica, il senso di un filamento è opposto a quello del filamento complementare. Per tale motivo, i due filamenti che costituiscono una doppia elica sono detti antiparalleli. Le estremità asimmetriche di un filamento di DNA sono definite mwarcestremità mwarg5′ (mwarkcinque primo) ed mwaro estremità mwars3′ (mwarwtre primo). La principale differenza tra il DNA e l'RNA è lo zucchero pentoso utilizzato: l'RNA, infatti, utilizza il mwar0ribosio.cite-ref-berg-27-1[27]

La doppia elica del DNA è stabilizzata dai legami idrogeno che si instaurano tra le basi azotate presenti sui due filamenti.cite-ref-30[30] Le quattro basi che sono presenti nel DNA sono l'mwascadenina (abbreviata con la lettera A), la mwasgcitosina (C), la mwaskguanina (G) e la mwasotimina (T). Tutte e quattro le basi hanno struttura mwasseterociclica, ma adenina e guanina sono, dal punto di vista strutturale, derivate della mwaswpurina, e pertanto dette mwas0basi puriniche, mentre citosina e timina sono correlate alla mwas4pirimidina e dette mwas8basi pirimidiniche.cite-ref-berg-27-2[27] Esiste una quinta base, di tipo pirimidinico, chiamata mwatquracile (U), ma essa non è di norma presente nelle catene di DNA. L'uracile è altresì presente nei filamenti di RNA al posto della timina, dalla quale si differenzia per la mancanza di un mwatugruppo metile. L'uracile è presente nel DNA solo come prodotto della degradazione della citosina. Solo nel mwatybatteriofago PBS1 tale base può essere utilizzata all'interno del DNA.cite-ref-nature1963-takahashi-31-0[31] Al contrario, è molto più frequente individuare la timina all'interno di molecole di RNA, a causa della mwatsmetilazione mwatwenzimatica di diversi uracili. Questo evento avviene solitamente a carico di RNA con funzione strutturale o enzimatica (mwat0rRNA e mwat4tRNA).cite-ref-32[32]

La doppia elica è una spirale destrorsa. Con l'avvitarsi su sé stessi dei due filamenti, restano esposti dei solchi tra i diversi gruppi fosfato. Il mwauqsolco maggiore è largo 22 Å, mentre il mwauusolco minore è largo 12 Å.cite-ref-33[33] La differente ampiezza dei due solchi si traduce concretamente in una differente accessibilità delle basi, a seconda che si trovino nel solco maggiore o minore. Proteine che legano il DNA, come i fattori di trascrizione, dunque, solitamente prendono contatto con le basi presenti nel solco maggiore.cite-ref-ref-a-34-0[34]cite-ref-35[35]

Ogni tipo di base presente su un filamento forma un legame con la base posta sul filamento opposto. Tale evento è noto come mwavuappaiamento mwavycomplementare. Le basi puriniche formano legami idrogeno con le basi pirimidiniche: A può legare solo T e G può legare solo C. L'associazione di due basi viene comunemente chiamata mwavcpaio di basi ed è l'unità di misura maggiormente utilizzata per definire la lunghezza di una molecola di DNA. Dal momento che i legami idrogeno non sono mwavgcovalenti, essi possono esser rotti e riuniti in modo relativamente semplice, poiché questi sono legami ad alta energia. I due filamenti possono essere allontanati tra loro, come avviene per una mwavkcerniera, sia dalle alte mwavotemperature che da un'azione meccanica (come avviene durante la mwavsreplicazione del DNA).cite-ref-36[36] Conseguenza di questa complementarità è che tutte le informazioni contenute nella doppia elica possono essere duplicate a partire da entrambi i filamenti, evento fondamentale per una corretta replicazione del DNA.cite-ref-alberts-23-1[23]

I due tipi di paia di basi formano un numero differente di legami idrogeno: A e T ne formano due, G e C tre. Per tale motivo, la stabilità del legame GC è decisamente maggiore di quello AT. Di conseguenza, la stabilità complessiva di una molecola di DNA è direttamente correlata alla frequenza di GC presenti nella molecola stessa, nonché alla lunghezza dell'elica: una molecola di DNA è dunque tanto più stabile quanto più contiene GC ed è lunga.cite-ref-37[37] Un'altra conseguenza di tale evento è il fatto che le regioni di DNA che devono essere separate facilmente contengono un'elevata concentrazione di A e T, come avviene ad esempio per il mwawkPribnow box dei mwawopromotori batterici, la cui sequenza è infatti TATAAT.cite-ref-38[38]

In laboratorio, la stabilità dell'interazione tra filamenti è misurata attraverso la temperatura necessaria a rompere tutti i legami idrogeno, chiamata mwaxatemperatura di melting (o mwaxeTmwaxim). Quando tutti i legami idrogeno sono rotti, i singoli filamenti si separano e possono assumere strutture molto variegate.cite-ref-39[39]

La stabilizzazione della doppia elica, in ogni caso, non è dovuta ai soli legami idrogeno, ma anche a mwaxginterazioni idrofobiche e di mwaxkmwaxopi stacking.cite-ref-40[40]

Una mwaygsequenza di DNA è definita mwayksenso se la sua sequenza è la stessa del relativo mwayomRNA. La sequenza posta sul filamento opposto è invece detta mwaysantisenso. Dal momento che le mwaywRNA polimerasi lavorano producendo una copia complementare, il filamento necessario per la mway0trascrizione è l'antisenso. Sia nei procarioti che negli eucarioti vengono prodotte numerose molecole di mway4RNA antisenso a partire dalle sequenze mway8senso. La funzione di questi mwazaRNA non codificanti non è stata ancora completamente chiarita.cite-ref-41[41] Si ritiene che gli RNA antisenso possano giocare un ruolo nella regolazione dell'mwazuespressione genica.cite-ref-42[42]

Esistono alcune sequenze di DNA, sia in procarioti che in eucarioti (ma soprattutto nei mwazsplasmidi e nei mwazwvirus) in cui la differenza tra sequenze senso e antisenso è meno chiara, dal momento che le sequenze di alcuni geni si sovrappongono tra loro.cite-ref-43[43] In questi casi, dunque, alcune sequenze rivestono un doppio compito: codificare una proteina se lette in direzione 5'→3′ su un filamento; codificarne un'altra se lette sull'altro (sempre in direzione 5'→3′). Nei batteri, questa sovrapposizione genica è spesso coinvolta nella regolazione della trascrizione,cite-ref-44[44] mentre nei virus il fenomeno è dovuto alla necessità di contenere in un piccolo mwaaugenoma un'elevata quantità di informazioni.cite-ref-45[45] Un altro modo di ridurre le dimensioni genomiche è quello individuato da altri virus, che contengono molecole di DNA lineare o circolare a singolo filamento.cite-ref-46[46]cite-ref-47[47]

Il DNA può essere distorto come avviene per una corda attraverso un processo definito mwabysuperavvolgimento. Quando il DNA è in uno stato mwabcrilassato, un filamento percorre un giro completo intorno all'asse ogni 10.4 paia di basi. Se invece il DNA è distorto, il numero di basi può aumentare o diminuire.cite-ref-48[48] Lo stato di superavvolgimento in cui si trova una molecola di DNA è definito mwabwtopologia. Se il DNA si avvolge nella direzione dell'elica, si parla di mwab0superavvolgimento positivo, con le basi strette tra loro in modo più marcato. In caso contrario, si parla di mwab4superavvolgimento negativo. In natura, la maggior parte delle molecole di DNA presentano un lieve superavvolgimento negativo, introdotto da enzimi definiti mwab8topoisomerasi.cite-ref-champoux-49-0[49] Questi enzimi sono anche necessari in processi come la trascrizione e la replicazione del DNA, dal momento che sono in grado di risolvere gli stress topologici indotti dai processi stessi.cite-ref-wang-50-0[50]

Il DNA esiste in diversi tipi di mwadaconformazioni. Esse sono denominate A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA,cite-ref-hayashi2005-51-0[51] E-DNA,cite-ref-vargason2000-52-0[52] H-DNA,cite-ref-wang2006-53-0[53] L-DNA,cite-ref-hayashi2005-51-1[51] P-DNAcite-ref-allemand1998-54-0[54] e Z-DNA.cite-ref-ghosh-29-1[29]cite-ref-55[55] In ogni caso, solo le conformazioni A-DNA, B-DNA e Z-DNA sono state osservate nei sistemi biologici naturali. La conformazione del DNA può dipendere dalla sequenza, dal superavvolgimento, dalla presenza di modificazioni chimiche delle basi o dalle condizioni del solvente, come la concentrazione di mwae0ioni mwae4metallici.cite-ref-56[56] Di tali conformazioni, la conformazione mwafmB è la più frequente nelle condizioni standard delle cellule.cite-ref-57[57] Le due conformazioni alternative sono differenti dal punto di vista della mwafggeometria e delle dimensioni.

La forma mwafoA è un'ampia spirale destrorsa (il solco minore è largo ma poco profondo, quello maggiore è più stretto e profondo), con un passo di 2,9mwafs nm (circa 11mwafwbp) e un diametro di 2,5mwaf0 nm. Tale conformazione è presente in condizioni non fisiologiche, quando il DNA viene disidratato. In condizioni fisiologiche, questa conformazione caratterizza gli mwaf4eteroduplex di DNA e RNA e i complessi formati dalle associazioni DNA-proteina.cite-ref-58[58]cite-ref-59[59]

La conformazione mwaggZ è tipica invece delle sequenze che presentano modificazioni chimiche come la mwagkmetilazione, e dei tratti di DNA ricchi di basi C e G. Essa assume un andamento sinistrorso, opposto rispetto alla conformazione B.cite-ref-60[60] Ha un passo di 4,6mwag4 nm e un diametro di 1,8mwag8 nm, il solco maggiore più superficiale e quello minore più stretto; deve il suo nome all'andamento a zig-zag che la caratterizza. Queste strutture inusuali possono essere riconosciute da specifiche Z-mwahaDNA-binding proteins, con conseguenze notevoli nella regolazione della trascrizione, anche se non ne sono stati trovati esempi in natura.cite-ref-61[61]

Le regioni terminali dei mwaimcromosomi lineari sono sequenze ripetute dette mwaiqtelomeri. La funzione principale di tali regioni è quella di permettere alla cellula di replicare le estremità dei cromosomi senza che ci sia perdita di informazioni geniche, dal momento che le mwaiuDNA polimerasi coinvolte nella replicazione del DNA non sono in grado di replicare le estremità 3' dei cromosomi.cite-ref-greider-63-0[63] Se un cromosoma non avesse telomeri, infatti, diventerebbe un po' più corto a ogni replicazione, con il rischio di perdere sequenze codificanti. Attraverso un particolare tipo di DNA polimerasi (detto mwaiotelomerasi), invece, i telomeri mantengono costantemente la loro lunghezza, proteggendo così la parte interna del cromosoma. Nelle cellule umane, i telomeri sono composti da alcune migliaia di ripetizioni di una semplice sequenza costituita da TTAGGG.cite-ref-64[64]

Questa sequenza ricca in guanina può stabilizzare le estremità dei cromosomi formando strutture insolite, composte da unità di quattro basi azotate al posto delle canoniche due. Ciò è dovuto all'interazione tra quattro guanine, che formano una struttura planare che si impila sopra ad altre strutture dello stesso tipo, a ottenere un filamento stabile definito mwajamwajeG-quadruplex structure.cite-ref-burge-65-0[65] Tali strutture sono stabilizzate dalla formazione di legami idrogeno che si instaurano tra le sommità delle basi e dalla mwajychelazione con uno ione metallico, situato al centro di ogni unità di quattro basi.cite-ref-66[66]

Oltre a queste, i telomeri generano anche strutture circolari, chiamate mwajwtelomere-loops o mwaj0T-loops. In questo caso, il singolo filamento di DNA si piega a formare ampie circonferenze, stabilizzate da proteine specifiche che legano i telomeri.cite-ref-67[67] Al termine del mwakiT-loop, il singolo filamento di DNA prende contatto con un doppio filamento, che si apre e forma una struttura a mwakmtripla elica. Questa struttura è chiamata mwakqdisplacement-loop o mwakuD-loop.cite-ref-burge-65-1[65]

L'mwalaespressione genica di un determinato mwalelocus è influenzata dalla struttura che la mwalicromatina assume presso il locus stesso. Regioni mwalmeterocromatiniche (caratterizzate da un'espressione scarsa o assente) sono estesamente mwalqmetilate sulle mwalucitosine. La metilazione della citosina, ad esempio, è fondamentale per l'mwalyinattivazione del cromosoma X.cite-ref-68[68] Il livello medio di metilazione è molto variabile tra i diversi organismi: mwalsmwalwCaenorhabditis elegans non presenta metilazione delle citosine, mentre i mwal0vertebrati mostrano livelli maggiori, con circa l'1% del mwal4genoma contenente 5-metilcitosina.cite-ref-69[69] La 5-metilcitosina, essendo suscettibile di deaminazione spontanea, è una base presso cui l'incidenza di mutazioni è elevatissima.cite-ref-70[70]

Ulteriori modificazioni di basi sono la metilazione dell'adenina (presente nei batteri) e la mwamgglicosilazione dell'uracile che produce le cosiddette mwamkbasi J nei mwamocinetoplastidi.cite-ref-71[71]cite-ref-72[72]

Il DNA può essere alterato dall'azione di numerosi agenti, genericamente definiti mwaoimutageni; è fondamentale notare però come una mutazione -ovverosia un cambiamento raro, casuale, che alteri la sequenza di basi azotate- non sia necessariamente un evento pernicioso ma anzi sia alla base dell'evoluzione: suddetta mutazione dovrà però farsi spazio nella fittissima rete cibernetica cellulare nonché nell'ambiente nel quale vive e opera l'organismo vivente in questione; qualora vengano superati questi punti di restrizione (altamente selettivi vista la loro complessità intrinseca, la stragrande maggioranza delle mutazioni difatti si rivela non vantaggiosa od anche neutra), si avrà un organismo arricchito dalla mutazione. Tra gli agenti alteranti figurano ad esempio mwaomagenti ossidanti, mwaoqagenti alchilanti e anche mwaouradiazioni ad alta energia, come i mwaoyraggi X e gli mwaocUV.

Il tipo di danno causato al DNA dipende dal tipo di agente: gli UV, ad esempio, danneggiano il DNA generando la formazione di mwaokdimeri di timina, costituiti da ponti aberranti che si instaurano tra basi pirimidiniche adiacenti.cite-ref-74[74] Agenti ossidanti come i mwao4radicali liberi o il mwao8perossido di idrogeno, invece, producono danni di tipo più eterogeneo, come modificazioni di basi (in particolare di guanine) o rotture del DNA a doppio filamento.cite-ref-75[75] Secondo diversi studi, in ogni cellula umana almeno 500 basi al giorno sono sottoposte a danni ossidativi.cite-ref-76[76]cite-ref-77[77] Di tali lesioni, le più pericolose sono le rotture a doppio filamento, dal momento che tali danni sono i più difficili da riparare e costituiscono l'origine primaria delle mwapwmutazioni puntiformi e mwap0mwap4frameshift che si accumulano sulle sequenze genomiche, nonché delle mwap8traslocazioni cromosomiche.cite-ref-78[78]

Molti agenti devono il loro potere mutageno alla capacità di mwaquintercalarsi tra due basi azotate consecutive. Gli intercalanti sono tipicamente molecole planari e mwaqyaromatiche, come l'mwaqcetidio, la mwaqgdaunomicina, la mwaqkdoxorubicina o la mwaqotalidomide. Perché un intercalante possa trovare posto tra le due basi, occorre che la doppia elica si apra e perda la sua conformazione standard. Tali modifiche strutturali inibiscono sia la trascrizione che la replicazione del DNA e aumentano la possibilità di insorgenza di mutazioni. Per tale motivo, gli intercalanti sono considerati molecole mwaqscancerogene, come dimostrato da numerosi studi su molecole come il mwaqwbenzopirene, l'mwaq0acridina, l'mwaq4aflatossina e il mwaq8bromuro di etidio.cite-ref-79[79]cite-ref-80[80]cite-ref-81[81] In ogni caso, proprio grazie alla loro capacità di inibire trascrizione e replicazione, tali molecole sono anche utilizzate in mwarwchemioterapia per inibire la rapida crescita delle cellule neoplastiche.cite-ref-82[82]

Negli mwasmeucarioti, il DNA è solitamente presente all'interno di mwasqcromosomi lineari (circolari nei mwasuprocarioti). La somma di tutti i cromosomi di una cellula ne costituisce il mwasygenoma; il mwascgenoma umano conta circa 3 miliardi di mwasgpaia di basi contenute in 46 cromosomi.cite-ref-83[83]

La disposizione finale a cromosomi segue precise regole gerarchiche di mwas4impacchettamento. Nelle cellule, infatti, il doppio filamento di DNA non può essere disposto mwas8a casaccio, ma deve seguire precise regole di ordinamento. Tali accorgimenti si rivelano necessari perché la lunghezza dei filamenti di DNA è solitamente molto elevata e creerebbe seri problemi alla cellula ospite. Ad esempio, il cromosoma di mwataEscherichia coli, il procariote più studiato nella storia della biomedicina, misura circa 1mwate mm. In una cellula lunga solo 2mwati µm, come quella di E.coli, la disposizione casuale di un cromosoma del genere potrebbe generare problemi. Se una molecola di questa lunghezza si disponesse casualmente, infatti, ci sarebbe bisogno di una cellula grande almeno mwatm1000 volte tanto. Le modalità di mwatqimpacchettamento sono differenti tra gli organismi mwatuprocarioti e quelli mwatyeucarioti.

Nella maggior parte delle cellule batteriche il DNA è disposto su un unico cromosoma circolare (e presenta, come molti altri batteri, un'unica mwat8origine di replicazione), come previsto da numerosi esperimenti di linkage e infine evidenziato in cellule cresciute con mwauatimina marcata con mwauetritio.

I meccanismi messi in atto dalla cellula procariote per ridurre lo spazio necessario consistono anzitutto nel mwaummwauqmascheramento delle cariche negative presenti sul DNA attraverso la sua associazione con mwauupoliammine cariche positivamente, come la mwauyspermina e la mwaucspermidina. Oltre a queste, il DNA procariote prende contatto anche con numerose piccole proteine, che compattano la struttura complessiva del DNA. Tra di esse, figura H-NS, un dimero con funzioni molto simili agli istoni eucariotici. In ogni cellula di E.coli esistono in media mwauk20000 molecole di H-NS, che si dispongono lungo il DNA a distanza di circa 400bp.

Il DNA di E.coli è inoltre molto mwaussuperavvolto. Tale fenomeno contribuisce ulteriormente al compattamento del DNA, permettendo a esso di disporsi comodamente all'interno della cellula.

Negli eucarioti l'impacchettamento è ottenuto attraverso diversi accorgimenti. Il DNA è associato a un gran numero di proteine: l'associazione complessiva DNA-proteine è definita mwavqcromatina, la cui struttura è ampiamente conservata tra tutti gli organismi eucarioti.

Le proteine cromatiniche più abbondanti sono gli mwavyistoni, una famiglia di polipeptidi mwavcbasici presenti nel nucleo. Le principali proteine istoniche sono mwavgH1, mwavkH2A, mwavoH2B, mwavsH3 e H4. La basicità degli istoni è dovuta alla grande quantità di amminoacidi carichi positivamente (mwavwlisina e mwav0arginina), in grado di instaurare interazioni elettrostatiche con i gruppi fosfato del DNA. Le proteine istoniche sono anche pesantemente modificate, proprio sui residui carichi, da mwav4modificazioni post-traduzionali, tra cui l'aggiunta di mwav8acetili, di mwawafosfati e di mwawemetili, che neutralizzano la carica positiva o la rendono negativa.

Le sequenze amminoacidiche di quattro dei cinque istoni (H2A, H2B, H3 e H4) sono altamente conservate, anche tra specie molto diverse. La sequenza di H1 presenta invece maggiori variazioni lungo l'evoluzione: in alcuni organismi, H1 non è nemmeno presente in tutti i tessuti (ad esempio negli mwawmeritrociti degli mwawquccelli H1 è sostituita da un sesto istone, chiamato H5). La presenza di differenti H1, in ogni caso, non modifica sostanzialmente la struttura complessiva dell'apparato istonico (definito mwawunucleosoma), che resta ampiamente conservato nell'architettura nella quasi totalità degli eucarioti.

Nel genoma, l'informazione è conservata in sequenze di DNA chiamate mwawggeni. La trasmissione dell'informazione contenuta nei geni è garantita dalla presenza di sequenze di basi azotate complementari. Infatti, durante la mwawktrascrizione, l'informazione può essere facilmente copiata in un filamento complementare di RNA. Solitamente, tale copia di RNA è utilizzata per sintetizzare una proteina, attraverso un processo definito mwawotraduzione (o sintesi proteica). In alternativa, una cellula può semplicemente duplicare l'informazione genetica attraverso un processo definito mwawsreplicazione del DNA.

Negli organismi eucarioti, il DNA genomico è localizzato all'interno del nucleo cellulare, nonché in piccole quantità all'interno di mwaxamitocondri e mwaxecloroplasti. Nei procarioti, il DNA è invece racchiuso in un organello irregolare, privo di membrana, contenuto nel citoplasma, chiamato mwaxinucleoide.cite-ref-84[84] L'informazione è contenuta all'interno dei geni, unità mwaxcereditarie in grado di influire sul mwaxgfenotipo dell'organismo. Ogni gene contiene un mwaxkmwaxoopen reading frame (regione in grado di essere trascritta a RNA) e una regione regolatoria, costituita sia da un mwaxspromotore che da mwaxwmwax0enhancers.

In molte mwax8specie, solo una piccola frazione della sequenza totale di un genoma può essere trascritta e tradotta. Ad esempio, solo l'1,5% del genoma umano è costituito da mwayaesoni codificanti una proteina, mentre più del 50% consiste di mwayesequenze ripetute di mwayiDNA non codificante.cite-ref-85[85] La ragione per cui ci sia una tale quantità di DNA non codificante non è tuttora completamente chiara ed è stata definita come mwaycmwaygenigma del C-value.cite-ref-86[86] In ogni caso, le sequenze di DNA che non codificano una proteina possono essere trascritte in mway0RNA non codificante, coinvolto nella regolazione dell'mway4espressione genica.cite-ref-87[87]

Alcune sequenze non codificanti ricoprono un ruolo strutturale per i cromosomi. Le regioni mwaz0telomeriche e mwaz4centromeriche contengono solitamente pochissimi geni, ma sono necessarie per la funzione e la stabilità dei cromosomi.cite-ref-89[89] Nell'uomo, grandi quantità di DNA non codificante si ritrovano negli mwa0mpseudogeni, copie di geni rese inattive dalla presenza di una mutazione.cite-ref-90[90] Queste sequenze sono considerate come mwa0gfossili molecolari, anche se esistono evidenze secondo le quali si può ipotizzare che siano una sorta di mwa0kmateriale grezzo necessario per la creazione di nuovi geni attraverso i processi di mwa0oduplicazione genica e di mwa0sevoluzione divergente.cite-ref-91[91]

Un gene è una sequenza di DNA che contiene le informazioni in grado di influire sulle caratteristiche del mwa1qfenotipo dell'organismo. All'interno di un gene, la sequenza di basi di DNA è utilizzata come stampo per la sintesi di una molecola di RNA che, nella maggior parte dei casi, è tradotta in una molecola peptidica.

Il meccanismo attraverso il quale la sequenza nucleotidica di un gene è copiata in un filamento di RNA è detto mwa1ytrascrizione e avviene per mezzo dell'enzima mwa1cRNA polimerasi. Il filamento di RNA può andare incontro a destini differenti: alcune molecole di RNA hanno funzioni di tipo strutturale (come quelle che si trovano all'interno del mwa1gribosoma) o catalitica (molecole note come mwa1kribozimi); la funzione più nota è tuttavia quella della mwa1otraduzione in proteine tramite la produzione mwa1smRNA. Il processo di traduzione avviene nel citoplasma, dove gli mRNA si associano ai ribosomi, ed è mediato dal mwa1wcodice genetico. Il ribosoma permette la lettura sequenziale dei codoni del mRNA, favorendone il riconoscimento e l'interazione con specifici mwa10tRNA, molecole che trasportano gli amminoacidi corrispondenti a ogni singolo codone.

Il mwa2acodice genetico consiste di mwa2eparole di tre lettere chiamate mwa2imwa2mcodoni, costituite dalla sequenza di tre nucleotidi (ad esempio ACU, CAG, UUU), presenti sull'mwa2qmRNA, ognuna delle quali è associata a un particolare amminoacido. Ad esempio la timina ripetuta in una serie di tre (UUU) codifica la mwa2ufenilalanina. Utilizzando gruppi di tre lettere si possono avere fino a 64 combinazioni diverse (mwa2y 4 3 {\displaystyle 4^{3}} ), in grado di codificare i venti diversi amminoacidi esistenti. Poiché esistono 64 triplette possibili e solo 20 amminoacidi, il mwa2ccodice genetico è detto mwa2gridondante (o mwa2kdegenere): alcuni amminoacidi possono infatti essere codificati da più triplette diverse. Non è invece vero il contrario: a ogni tripletta corrisponderà un solo amminoacido (senza possibilità di ambiguità). Esistono infine tre triplette che non codificano alcun amminoacido, ma rappresentano codoni di mwa2ostop (o mwa2snonsense), ovvero indicano il punto in cui, all'interno del gene, termina la sequenza che codifica la proteina corrispondente: si tratta dei codoni UAA, UGA e UAG.

La divisione cellulare, necessaria a un organismo per crescere e vivere, richiede una duplicazione del DNA cellulare, in modo che le cellule figlie possano avere la stessa informazione genetica della cellula madre. La struttura a doppia elica del DNA permette un meccanismo estremamente semplice per la replicazione del DNA. I due filamenti, infatti, sono separati e da ognuno viene creato un filamento complementare, a opera di un enzima chiamato mwa3sDNA polimerasi. Con questo meccanismo, le basi presenti sul filamento figlio sono determinate da quelle presenti sul filamento parentale: è proprio attraverso questo meccanismo che le cellule figlie presentano genoma identico alla cellula madre (salvo errori avvenuti durante il processo, che portano alla comparsa di mutazioni). Tale tipo di replicazione, che porta a doppie eliche costituite da un filamento preesistente e uno neoformato è detta mwa3wsemiconservativa.

Per iniziare la replicazione, occorre anzitutto l'apertura della mwa34forca replicativa, attraverso la parziale denaturazione del DNA a doppia elica, portata a termine dalle elicasi e dalle mwa38mwa4asingle-strand-binding proteins (SSBPs): le mwa4emwa4ielicasi sono enzimi che separano attivamente i due filamenti usando l'energia dell'mwa4mATP; le SSBPs sono in grado di mantenere la denaturazione del DNA legandosi esclusivamente alle porzioni a singolo filamento e stabilizzandole. Nelle molecole di DNA circolari dei mwa4qprocarioti si ha una sola regione di mwa4umwa4yorigine della replicazione dalla quale partono due forche replicative (la struttura prende il nome di mwa4cmwa4gbolla di replicazione). Quando le due forche si incontrano dal lato opposto la replicazione è completata. Negli mwa4keucarioti la replicazione di ogni cromosoma inizia invece in più punti.

Le mwa4sDNA polimerasi, enzimi capaci di costruire una nuova catena solo in direzione 5'-3', sono stati individuati per la prima volta da mwa4wArthur Kornberg, il quale, grazie a un suo famoso esperimento,cite-ref-92[92] identificò la DNA polimerasi I in mwa5emwa5iEscherichia coli. La reazione della DNA polimerasi è mwa5mdiretta dallo stampo, perché produce un nuovo filamento di DNA esattamente complementare a uno preesistente che funge, appunto, da stampo. La DNA polimerasi non è in grado di iniziare la sintesi di un filamento mwa5qex novo, mentre può allungare un filamento polinucleotidico preesistente. In una cellula in replicazione, dunque, è indispensabile la presenza di un filamento preesistente (detto mwa5umwa5yprimer), che consiste solitamente in un breve segmento di RNA complementare allo stampo, sintetizzato da enzimi specifici detti mwa5cprimasi.

Dal momento che le DNA polimerasi sono in grado di svolgere la loro attività solo in direzione 5'-3', esse hanno messo a punto diversi meccanismi per copiare i due filamenti della doppia elica.cite-ref-93[93] Un filamento (chiamato mwa50filamento guida) può essere replicato in modo quasi continuo, man mano che viene esposto, l'altro (mwa54filamento lento) risulta invece disseminato da brevi filamenti di DNA di nuova sintesi (i mwa58mwa6aframmenti di Okazaki), ognuno dei quali presenta un innesco iniziale di RNA. I nuovi filamenti devono essere quindi completati mediante la rimozione degli inneschi da parte di mwa6eendonucleasi e il riempimento degli spazi rimasti a opera di polimerasi di mwa6iriparazione. Successivamente tutti questi frammenti di DNA di nuova sintesi del mwa6mfilamento lento vengono legati dalle mwa6qDNA ligasi.

Tutte le funzioni del DNA dipendono dalle sue interazioni con specifiche proteine. Tali interazioni possono sia essere aspecifiche, sia prevedere un legame estremamente specifico della proteina a una singola sequenza di DNA. Sono numerosi anche gli enzimi che possono legare il DNA e, tra questi, sono particolarmente importanti le polimerasi che copiano le sequenze nella trascrizione e nella replicazione del DNA.

Le proteine strutturali che legano il DNA sono esempi delle interazioni aspecifiche tra DNA e proteine. All'interno dei cromosomi, il DNA è associato a complessi di natura proteica, che si organizzano tra loro a formare una struttura compatta chiamata mwa7kcromatina. Negli eucarioti, questa struttura presuppone il legame del DNA a piccoli complessi proteici basici chiamati mwa7oistoni; nei procarioti, invece, sono coinvolti diversi tipi di differenti proteine.cite-ref-94[94]cite-ref-95[95] Gli istoni formano un complesso a forma di disco chiamato mwa8mnucleosoma, che instaura interazioni di tipo ionico (tra i residui basici degli istoni e lo scheletro fosforico acido del DNA) con circa duecento paia di basi di DNA, che si avvolgono intorno al disco formando due giri completi, indipendentemente dalla sequenza che li caratterizza.cite-ref-96[96] Questi residui basici possono subire mwa8gmetilazioni, mwa8kfosforilazioni e mwa8oacetilazioni:cite-ref-97[97] tali modificazioni chimiche alterano l'interazione tra gli istoni e il DNA, rendendolo così più o meno accessibile ai mwa88fattori di trascrizione e modulando la velocità della trascrizione stessa.cite-ref-98[98]

Altre mwa9uDNA-binding proteins (DNAbp) di tipo aspecifico, anch'esse presenti nella mwa9ycromatina, sono le mwa9chigh-mobility group proteins, che legano preferenzialmente il DNA ripiegato o distorto.cite-ref-99[99] Queste proteine hanno un ruolo fondamentale nel ripiegamento delle file di nucleosomi e nel loro impacchettamento all'interno di strutture cromatiniche più complesse.cite-ref-100[100]

Un ulteriore gruppo di DNAbp sono le mwa-imwa-msingle-strand-binding proteins (SSBP), che si legano esclusivamente a una molecola di DNA a singolo filamento. Nell'uomo, la RPA (mwa-qreplication protein A) è il membro meglio caratterizzato di questa famiglia ed è essenziale per la maggior parte dei processi che richiedono una separazione della doppia elica, tra cui la replicazione del DNA, la sua ricombinazione e la sua mwa-yriparazione.cite-ref-101[101] Queste DNAbp sono in grado di stabilizzare la forma a singolo filamento, impedendo che la molecola si ripieghi a formare stem loops o venga degradata dall'azione delle mwa-wnucleasi.

A differenza di quelle finora presentate, esistono anche numerose proteine che legano specificamente determinate sequenze di DNA. Quelle maggiormente studiate sono i mwa-cfattori di trascrizione (TF), proteine in grado di regolare la trascrizione. Ognuna di esse si lega a una o più sequenze specifiche, poste solitamente nei pressi del mwa-gpromotore di un gene, attivando o inibendo la trascrizione del gene stesso. Tale processo viene svolto attraverso due tipi di meccanismo: anzitutto, i TF sono in grado di legare, direttamente o attraverso proteine adattatrici, la RNA polimerasi responsabile della trascrizione, localizzandola presso il sito di inizio della trascrizione e favorendone dunque l'avvio;cite-ref-103[103] un'altra modalità consiste nel legame tra i TF ed enzimi in grado di modulare metilazioni e acetilazioni degli istoni presenti presso il promotore, modificando dunque l'accessibilità di quella regione alla polimerasi.cite-ref-104[104]

Dal momento che un TF può avere numerose sequenze bersaglio, cambiamenti di attività di un TF possono avere effetti sull'espressione di migliaia di geni.cite-ref-105[105] Di conseguenza, queste proteine sono spesso i bersagli finali delle cascate di mwbaytrasduzione del segnale, che mediano le risposte cellulari agli stimoli interni ed esterni alla cellula. La specificità dei TF per il DNA è legato ai contatti multipli che si instaurano tra la proteina e il solco maggiore, dove le basi azotate sono maggiormente accessibili.cite-ref-ref-a-34-1[34]

Le mwbbgnucleasi sono mwbbkenzimi in grado di tagliare filamenti di DNA, dal momento che catalizzano l'mwbboidrolisi del mwbbslegame fosfodiesterico. Le nucleasi che idrolizzano il DNA partendo dai nucleotidi situati alle estremità dei filamenti sono definite mwbbwesonucleasi. Sono mwbb0endonucleasi, invece, quelle che tagliano direttamente all'interno del filamento. Le nucleasi più utilizzate in mwbb4biologia molecolare, dette mwbb8enzimi di restrizione, tagliano il DNA in corrispondenza di specifiche sequenze. L'enzima mwbcaEcoRV, ad esempio, riconosce la sequenza di sei basi 5′-GAT|ATC-3′ ed effettua il taglio presso la linea verticale. In natura, questo enzima protegge i mwbcebatteri dalle infezioni mwbcifagiche, digerendo il DNA del fago quando esso fa il suo ingresso nella cellula batterica.cite-ref-107[107] Generalmente, le nucleasi di restrizione riconoscono particolari sequenze nucleotidiche mwbccpalindromiche, note come mwbcgsiti di restrizione, nelle quali la stessa sequenza si ripete in direzioni opposte sulle due eliche complementari, e quindi producono dei tagli su entrambi i filamenti. Tali enzimi sono utilizzati ampiamente nelle tecniche che prevedono il subclonaggio di DNA all'interno di mwbcovettori. Si crede che le sequenze palindromiche possano essere, oltre a sti di restrizione, anche segnali di riconoscimento per alcune proteine di regolazione oppure segnalare il sito di avvio della replicazione del DNA.

Le mwbcwDNA ligasi sono enzimi in grado di riunire filamenti di DNA precedentemente tagliati o spezzati, utilizzando energia chimica proveniente da mwbc0ATP o da mwbc4NAD.cite-ref-doherty-108-0[108] Le ligasi sono particolarmente importanti nella replicazione del mwbdmfilamento lento, dal momento che esse riuniscono i mwbdqframmenti di Okazaki in un filamento unico. Esse rivestono un ruolo importante anche nella mwbduriparazione del DNA e nella mwbdyricombinazione genetica.cite-ref-doherty-108-1[108]

Le mwbd0topoisomerasi sono enzimi che presentano sia un'attività mwbd4nucleasica che una mwbd8ligasica. Queste proteine sono in grado di modificare le proprietà mwbeatopologiche del DNA. Alcune di esse svolgono tale funzione tagliando l'elica di DNA e permettendole di ruotare, riducendo il suo grado di superavvolgimento, per poi procedere alla ligazione delle due estremità.cite-ref-champoux-49-1[49] Altre topoisomerasi sono invece in grado di tagliare l'elica e far passare attraverso il sito di rottura una seconda elica, prima di ligare il filamento spezzato.cite-ref-109[109] Le topoisomerasi sono necessarie per molti processi che coinvolgono il DNA, come ad esempio la replicazione del DNA e la trascrizione.cite-ref-wang-50-1[50]

Le mwbe4elicasi sono proteine in grado di utilizzare l'mwbe8energia chimica presente nei nucleosidi trifosfato, soprattutto mwbfeATP, per rompere i legami idrogeno che si instaurano tra le basi azotate, permettendo l'apertura della doppia elica di DNA in singoli filamenti.cite-ref-110[110] Questi enzimi sono essenziali per la maggior parte dei processi biologici che coinvolgono enzimi che richiedono un diretto contatto con le basi del DNA.

Le mwbfgpolimerasi sono enzimi che sintetizzano catene polinucleotidiche a partire dal nucleosidi trifosfato. Esse funzionano aggiungendo nucleotidi al 3′-mwbfoOH del precedente nucleotide presente sul filamento. Come conseguenza di ciò, tutte le polimerasi lavorano in direzione mwbfs5′-mwbfw3′.cite-ref-joyce1-111-0[111] Nel sito attivo di questi enzimi, il nucleoside trifosfato si appaia a un nucleotide presente su un filamento usato come stampo: ciò permette alle polimerasi di sintetizzare in modo accurato filamenti fedelmente complementari agli stampi. Le polimerasi sono classificate sulla base del tipo di stampo che utilizzano.

La mwbgireplicazione del DNA richiede una mwbgmDNA polimerasi DNA-dipendente, in grado cioè di realizzare una perfetta copia di una sequenza di DNA. L'accuratezza è fondamentale in questo processo, motivo per cui molte di queste polimerasi presentano anche un'attività di mwbgqmwbguproofreading (dall'mwbgyinglese, mwbgccorrezione di bozze). Esse sono infatti in grado di rilevare un errore di appaiamento (o mwbggmismatch) tra basi azotate e attivare un'azione 3' o 5' esonucleasica per rimuovere la base scorretta.cite-ref-112[112] Nella maggior parte degli organismi, le DNA polimerasi funzionano all'interno di un più ampio complesso proteico definito mwbg0replisoma, che consiste anche di numerose subunità accessorie come ad esempio le mwbg4elicasi.cite-ref-113[113]

Le mwbhqDNA polimerasi RNA-dipendenti sono una classe di polimerasi specializzate nella sintesi di una copia di DNA, usando come stampo un frammento di RNA. Tra di esse figurano la mwbhutrascrittasi inversa, un enzima virale coinvolto nell'infezione dei mwbhyretrovirus, e la mwbhctelomerasi, necessaria per la replicazione dei mwbhgtelomeri.cite-ref-greider-63-1[63]cite-ref-114[114] La telomerasi è una polimerasi inusuale, dal momento che contiene una sequenza stampo di RNA all'interno della propria struttura.

La trascrizione è invece svolta da mwbiiRNA polimerasi DNA-dipendenti, che legano il DNA presso il mwbimpromotore di un gene e separano i due filamenti. Successivamente, l'enzima genera una molecola di mwbiqmRNA fino al raggiungimento del mwbiuterminatore, dove si interrompe la trascrizione e l'enzima si distacca dal DNA. Come avviene per le DNA polimerasi DNA-dipendenti, anche queste polimerasi operano all'interno di un ampio complesso proteico, composto di molecole accessorie e regolatorie.cite-ref-115[115]

Un filamento di DNA solitamente non interagisce con altri segmenti di DNA e, nelle cellule umane, i differenti cromosomi occupano regioni separate del nucleo (mwbkcterritori cromosomici).cite-ref-117[117] Tale separazione fisica è fondamentale per permettere al DNA di essere un archivio stabile e sicuro dell'informazione genetica. L'interazione tra diversi segmenti di DNA è invece possibile e frequente attraverso il fenomeno del mwbkwcrossing-over, che permette la mwbk0ricombinazione genetica attraverso la rottura di due eliche, lo scambio di segmenti tra di esse e il ricongiungimento finale.

La ricombinazione permette ai cromosomi di scambiare informazioni genetiche e produrre nuove combinazioni di geni, con il risultato di aumentare l'efficienza della mwbk8selezione naturale e di facilitare l'evoluzione di nuove proteine.cite-ref-118[118] La ricombinazione genetica può anche essere coinvolta nella riparazione del DNA, in particolare come risposta cellulare in seguito a rotture a doppio filamento.cite-ref-119[119]

La principale forma di crossing-over cromosomico è la mwblkricombinazione omologa, nella quale i due cromosomi coinvolti condividono sequenze molto simili. Le ricombinazioni non omologhe, invece, possono essere dannose per la cellula, perché in grado di produrre mwblotraslocazioni cromosomiche e anomalie genetiche. La reazione di ricombinazione è catalizzata da enzimi noti come mwblsmwblwricombinasi.cite-ref-120[120] Il primo passaggio del processo di ricombinazione consiste nella rottura a singolo filamento provocata da un'endonucleasi o da un danno al DNA.cite-ref-121[121] Una serie di passaggi successivi, in parte catalizzati dalla ricombinasi, porta all'unione tra due eliche attraverso la formazione di una mwbmugiunzione di Holliday, nella quale un segmento a singolo filamento di ogni elica è appaiato al filamento complementare presente sull'altra elica. La reazione di ricombinazione è quindi interrotta dalla rottura della giunzione e dalla re-ligazione del DNA così ottenuto.cite-ref-122[122] L'esistenza della giunzione di Holliday è stata dimostrata da fotografie al microscopio elettronico di molecole di DNA in ricombinazione.

Il DNA contiene l'informazione genetica che permette a tutti gli organismi viventi (esclusi i virus, la cui ammissibilità tra i viventi è tuttavia ampiamente dibattuta) di funzionare, crescere e riprodursi. In ogni caso, non è stato ancora chiarito in quale momento della mwbm4storia della vita il DNA abbia assunto tale ruolo fondamentale. È generalmente accettato dalla comunità scientifica, infatti, l'mwbm8ipotesi che il DNA non sia stato il primo acido nucleico a essere utilizzato dai viventi: tale ruolo spetterebbe infatti all'RNA.cite-ref-joyce2-123-0[123]cite-ref-124[124] L'RNA potrebbe aver giocato un ruolo centrale del metabolismo cellulare ancestrale, dal momento che può avere sia un ruolo nella conservazione dell'informazione genetica, sia uno catalitico (ad esempio attraverso i mwbngribozimi), sia uno strutturale (all'interno dei mwbnkribosomi).cite-ref-125[125] Il mwbn4mwbn8mondo a RNA, basato su un unico tipo di molecola avente funzioni genetiche, catalitiche e strutturali, potrebbe avere avuto un'influenza sullo sviluppo dell'attuale codice genetico, basato proprio su quattro nucleotidi. Tale numero potrebbe essere un compromesso tra la necessità da una parte di ridurre la quantità di basi possibili, per migliorare l'accuratezza della replicazione, e dall'altra di aumentarla, per incrementare l'efficacia catalitica dei ribozimi.cite-ref-126[126]

Non si conoscono fossili di DNA risalenti all'origine della vita (dopo il mondo a RNA) per poterne studiare l'evoluzione molecolare, dal momento che è impossibile recuperare DNA dai fossili. Ciò è dovuto al fatto che il DNA può sopravvivere nell'ambiente per meno di un milione di anni e, se in soluzione, si degrada rapidamente in piccoli frammenti.cite-ref-127[127] Sebbene ci siano stati diversi annunci di scoperte di DNA antichissimo, tra cui quella relativa all'isolamento di un batterio vivo da un cristallo di sale risalente a 250 milioni di anni fa,cite-ref-128[128] queste affermazioni sono controverse.cite-ref-129[129]cite-ref-130[130]

La moderna biologia e biochimica fa un uso intensivo del DNA. Con il termine di mwbpomwbpsDNA ricombinante ci si riferisce a segmenti di DNA realizzati e assemblati artificialmente. Essi possono essere inseriti all'interno di organismi viventi sotto forma di mwbpwplasmidi o mediante altri tipi di mwbp0vettori.cite-ref-131[131] Gli organismi così prodotti sono detti mwbqigeneticamente modificati e possono essere utilizzati per la produzione di proteine ricombinanti, necessarie per la ricerca biomedica,cite-ref-132[132] o per le coltivazioni mwbqcagricole.cite-ref-133[133]cite-ref-134[134]

La mwbrqmedicina forense si serve del DNA, generalmente isolato dal mwbrusangue, dalla mwbrypelle, dalla mwbrcsaliva, dai mwbrgcapelli e da altri tessuti e fluidi biologici, per identificare i responsabili di atti criminosi, come delitti o violenze. Il processo utilizzato è il mwbrkfingerprinting genetico: tale tecnica consiste nel comparare la lunghezza delle sezioni variabili del mwbroDNA ripetitivo, come le mwbrsshort tandem repeats e i mwbrwminisatelliti, che possono risultare molto diverse tra un individuo e l'altro. La comparazione tra due campioni di DNA in esame, non si basa perciò sull'analisi di tutta la sequenza desossiribonucleotidica, ma solo su tali sezioni. Infatti, due individui non legati da rapporti di parentela hanno in comune ben il 99,9% di sequenza di DNA. Tale metodo è solitamente molto affidabile,cite-ref-135[135] anche se a volte l'identificazione dei criminali può risultare complicata qualora la scena sia contaminata dal DNA di diverse persone.cite-ref-136[136] Questo metodo, sviluppato nel mwbsu1984 dal mwbsygenetista mwbscbritannico Sir mwbsgAlec Jeffreys,cite-ref-137[137] fu usato per la prima volta nel mwbs01988 per incriminare Colin Pitchfork. Nella pratica attuale, spesso i sospettati sono invitati a fornire un campione di DNA per il confronto con eventuali reperti biologici presenti sulla scena del delitto. Il fingerprinting genetico può essere utilizzato anche per identificare le vittime di incidenti di massa.

L'acquisizione del DNA senza consenso viene indicato con il termine di mwbs8Gene theft.

La mwbtqbioinformatica è una branca della mwbtubiologia che comprende la manipolazione, la ricerca e il mwbtydata mining dei dati relativi a sequenze di DNA. Lo sviluppo di tecniche utili a immagazzinare e ricercare sequenze di DNA, infatti, ha condotto ad ampi sviluppi dell'informatica applicata alla biologia molecolare, specialmente per quanto riguarda gli algoritmi di ricerca di stringhe e l'mwbtcapprendimento automatico.cite-ref-138[138] Gli algoritmi di ricerca (o appaiamento) di stringhe, in grado di individuare la presenza di una sequenza di lettere all'interno di sequenze molto più ampie, furono inizialmente sviluppati per la ricerca di specifiche sequenze nucleotidiche.cite-ref-139[139]

Esistono da molto tempo, ovviamente, semplici mwbuealgoritmi in grado di affrontare questi problemi (quelli presenti, ad esempio, negli mwbuieditor di testo), ma l'analisi del DNA, che si presenta come composto di sole quattro lettere, richiede programmi più elaborati. Il problema immediatamente correlato dell'mwbumallineamento di sequenze si pone come obiettivo quello di identificare le sequenze mwbuqomologhe e individuare le specifiche mwbuumutazioni che le rendono differenti. Queste tecniche, in particolare l'allineamento di sequenze multiple, sono utilizzate per studiare le mwbucrelazioni filogenetiche e la funzione delle proteine.cite-ref-140[140] Esistono anche algoritmi di ricerca genetica.

La grande quantità di dati ottenuta da progetti come il mwbu0progetto genoma umano è infatti di difficile utilizzo senza una prima analisi che permetta di localizzare i geni e le regioni regolatorie sui cromosomi. Tali algoritmi, dunque, sono in grado di riconoscere regioni putative di presenza di geni codificanti RNA o proteine.cite-ref-mount-141-0[141]

Il DNA è stato utilizzato in informatica per la prima volta per risolvere un semplice problema di mwbv8cammino hamiltoniano, un mwbwaproblema NP-completo.cite-ref-143[143] Il calcolo attraverso il DNA è più vantaggioso rispetto a quello mwbwuclassico per via elettronica sia dal punto di vista dell'energia consumata, sia da quello dello spazio utilizzato: strutture di questo genere sono infatti in grado di svolgere mwbwycalcoli in modalità parallele che permettono di risolvere agevolmente numerosi altri problemi quali la simulazione di mwbwcmacchine astratte, il mwbwgproblema di soddisfacibilità booleana e la versione mwbwkbounded del mwbwoproblema del commesso viaggiatore.cite-ref-144[144] Grazie alla sua compattezza, il DNA presenta anche un ruolo (almeno teorico) nel campo della mwbw8crittografia, nella quale permetterebbe in particolare la costituzione e l'utilizzo efficiente di mwbxacifrari di Vernam sicuri.cite-ref-145[145]

Il DNA è utilizzato anche nel campo delle mwbxynanotecnologie poiché presenta proprietà di mwbxcriconoscimento molecolare che lo rendono in grado di auto-assemblarsi in strutture complesse di tipo bidimensionale o mwbxgpoliedrico. Tali assemblati sono utilizzati con funzioni essenzialmente strutturali e non come vettori di informazione biologica.cite-ref-goodman05-146-0[146]

Dal momento che il DNA è sottoposto nel tempo a mutazioni che vengono ereditate, esso contiene informazioni preziose che possono essere utilizzate dai genetisti per studiare l'evoluzione degli organismi e la loro mwbyofilogenesi.cite-ref-148[148] Sulla base delle diverse mutazioni presenti in geni estremamente conservati tra gli organismi (oppure, tramite algoritmi comparativi bioinformatici più avanzati, confrontando direttamente interi genomi) i genetisti sono in grado di ricostruire mwby8alberi filogenetici in grado di descrivere l'evoluzione di diverse specie anche molto diverse tra loro.cite-ref-149[149]cite-ref-150[150] Studiando le mutazioni accumulatesi nel tempo, è anche possibile ricostruire alberi che descrivano l'evoluzione all'interno di famiglie di proteine.

Comparando le sequenze di DNA all'interno di una stessa specie, inoltre, è possibile studiare la storia genetica di particolari mwbzkpopolazioni. Ciò presenta una notevole rilevanza sia per analisi mwbzoecologiche sia per studi mwbzsantropologici: il DNA è stato usato, ad esempio, per ricostruire la vicenda delle mwbzwdieci tribù perdute d'Israele.cite-ref-151[151]

Nel 1987 Tamar Barkay descrisse il metodo di mwbacestrazione diretta del DNA ambientale, eDNAcite-ref-152[152].

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