La cromatina: struttura, organizzazione e genoma eucariotico

La cromatina e il genoma eucariote

Il genoma della cellula eucariote è suddiviso da un punto di vista fisico in cromosomi (filamento di DNA + proteine ad esso associate). La cromatina è la forma in cui è rappresentato il genoma di una cellula eucariote durante la sua fase funzionale, è un complesso di proteine e acidi nucleici la cui componente principale che lo contraddistingue è il DNA. È presente in forma aperta durante il ciclo cellulare in modo da permettere la replicazione da parte degli enzimi. Grazie alla citologia e a studi fatti col microscopio ottico si è scoperta nel nucleo una zona molto eteromorfica (con più morfologie diverse) in cui alla luce si vedevano zone più dense e altre meno di cromatina, ossia il nucleolo. Durante la profase (fase della divisione cellulare) la cromatina si compatta e prende il nome di cromosoma e le sue zone più dense risultano più chiare al microscopio. Il DNA è quindi associato alle proteine basiche (istoni) e alle proteine acide; le proteine istoniche sono come delle sfere su cui si avvolge il doppio filamento di DNA determinandone dei ripiegamenti e quindi un compattamento. I nucleosomi sono rappresentati dall'avvolgimento del DNA attorno a proteine acide non istoniche e di proteine istoniche (cariche positivamente) le quali sono ricche di lisina e arginina che gli permettono di legarsi ai gruppi fosfato (carichi negativamente) che sono localizzati all'esterno del DNA. Gli istoni sono presenti sottoforma di 5 differenti molecole: ?

• Istone H1
• Istone H2A e H2B
• Istone H3
• Istone H4 CHE -E-CH. O Č-N H4 2 HZA H26 Istone Whapping of DAUA around tfm Hisstates ..... Di questi cinque solo gli istoni H2A, H2B, H3 e H4 riescono ad aggregarsi a formare una struttura a perla, a cui si lega il DNA tramite un avvolgimento. L'istone H1 invece si occupa di far fare un ulteriore avvolgimento al filamento attorno all'istone in modo da far compattare ancor più quella che si chiamerà struttura filo di perla. Intorno al core del nucleosoma il DNA si avvolge per 1,7 giri coinvolgendo 147 coppie di basi. La parte di DNA che non è avvolta attorno al nucleosoma e che quindi collega un nucleosoma all'altro, è detto DNA di giunzione. La sua lunghezza varia in base a quanto è compatta la cromatina. Le proteine non istoniche invece regolano i processi di replicazione, trascrizione, riparo e ricombinazione, quindi si trovano solo temporaneamente a contatto con il DNA.

Fasi di assemblaggio di un nucleosoma

Ora descriveremo le fasi di assemblaggio di un nucleosoma:

1. AI DNA si legano prima la coppia composta da H3 e H4 e poi quella composta da H2A e H2B in modo da formare il core istonico. Gli istoni sono presenti nel nucleo e formano il core disponendosi in modo asimmetrico
2. A questo punto gli istoni presenteranno delle estremità C-terminali ed N-terminali su dei filamenti, le quali non servono per la formazione del nucleosoma, e pertanto vengono staccate ad opera dell'enzima tripsina (proteasi). Pertanto, rimarrà solo il core degli istoni protetto nell'avvolgimento del DNA. Tutto questo influenza l'organizzazione della cromatina in quanto cambia il tipo di interazione tra l'istone e il DNA. codis N-terminali degli istoni trattamento con proteasl
3. Le code proteiche terminali presenti nel nucleosoma subiscono delle reazioni di metilazione, fosforilazione o acetilazione (aggiunta rispettivamente di un gruppo metilico, un gruppo fosfato o un gruppo acetile). Queste sono delle modifiche post traduzionali reversibili che rendono la struttura del nucleosoma più o meno compatta. Le modifiche si definiscono post traduzionali perché queste reazioni reversibili avvengono dopo la sintesi della proteina ad opera di enzimi specifici detti modificatori degli istoni, questo determina sostanziali modifiche del DNA intorno agli istoni con un cambio del suo comportamento. Spesso un cambio strutturale (genotipo) comporta anche un cambiamento funzionale (fenotipo), ma ciò non accade sempre e quindi può rimanere silente.
4. A questo punto avviene l'interazione con l'istone H1 con il DNA, questo fa avvenire un suo ulteriore avvolgimento in modo da far compattare ancor più il nucleosoma, questo istone H1 interagisce sia con il DNA legato al core, che con 20 basi nucleotidiche del DNA di giunzione che verrà usato per creare il secondo avvolgimento. Quindi attorno al core ci saranno 1,7 giri di DNA composti da circa 147 coppie di basi. H1 H1 legato Se distendessimo il doppio filamento di DNA di una sola cellula umana risulterebbe lungo 1 metro, in quanto è composto da 3,2 miliardi di coppie di nucleotidi 3200000000 × 0 34 nm = 1088000000 nm= 1,08 m La cellula ha pertanto usato come espediente, l'organizzazione in una struttura molto compatta data dal cromosoma, il quale assume una lunghezza di pochi micron.

Struttura e composizione della cromatina

La cromatina può essere distinta in eucromatina ed eterocromatina: L'eucromatina è meno condensata e corrisponde a zone in cui avviene un intensa attività di trascrizione . L'eterocromatina è più condensata e non ha attività di trascrizione. L'eterocromatina si distingue in costitutiva e facoltativa: ?

• Nell'eterocromatina costitutiva il compattamento è sempre al massimo e quindi quella zona non verrà mai trascritta.
• Nell'eterocromatina facoltativa ci sono differenze strutturali, infatti si può aprire o chiudere a seconda dei casi permettendo la trascrizione quando si apre. Questo può essere causato da: ?

• Diversa interazione tra DNA di giunzione (linker) e l'istone H1
• Un diverso stato di modifiche post traduzionali degli istoni (acetilazione, fosforilazione e metilazione, ubiquitinazione). Un cromosoma è composto da un doppio filamento di DNA che si avvolge attorno alle proteine istoniche in modo da compattarsi. Svolgendo una catena di DNA ci sono i geni e le regioni intergeniche: ?

• I geni sono le regioni del genoma che vengono espresse sottoforma di RNA
• Le zone intergeniche si trovano tra i geni e quindi non sono espresse. Ad esempio zone non espresse sono i telomeri (parte terminale del cromosoma) i quali sono costituiti da sequenze ripetute che proteggono i geni del cromosoma dalle nucleasi. Un'altra zona non espressa è il centromero, ossia una zona ricca di sequenze ripetute in cui si associano le proteine che creano un'interazione con il fuso mitotico per far avvenire la divisione cellulare. Alcune sequenze intergeniche vanno a costituire l'eterocromatina costitutiva (centromero e telomero) e facoltativa (è composto da zone ripetute in cui ci sono famiglie di geni molto attive trascrizionalmente, quindi vengono codificati in RNA ribosomiale. L'RNA ribosomiale è assieme alle proteine una parte strutturale molto importante dei ribosomi, quindi essendo che devono essere presenti in grande quantità e che devono essere costantemente rinnovati, c'è la necessità che questi geni siano trascritti in continuo. La zona del nucleolo è composta da eucromatina (poco compatta) la quale è attiva trascrizionalmente, pertanto risulta più scura al microscopio. FONA Centromere Nonostante gli rRNA sono trascritti a partire da geni vicini in copia multipla, questi sono presenti nel cromosoma in una zona precisa detta rDNA. Questi geni sono presenti in più cromosomi strettamente associati l'uno all'altro. Human acrocentric chromosome Totomere rDNA gene array 01 PS Telomere Centromere 455 pre-rANA Spacer promoter promoter Tramporigtige Turminion sim 5.85 285 - 1952 1752 STETS Coding region (~13 kb) Intergenic spacer |"31 kb] Le zone di rDNA che codificano per l'RNA ribosomiale sono le zone 18S; 5,8S; 28S. Queste ripetizioni di geni vengono trascritte contemporaneamente in quanto il processo risulta più efficiente. Questo stratagemma serve per creare più prodotti diversi ma che svolgono la stessa funzione. Il ribosoma contiene anche la zona 5S che però si trova in un 'altra regione del cromosoma. Gli RNA ribosomiali vengono prodotti nel nucleo, escono fuori da esso, si associano alle proteine e forma fanno il ribosoma.

Il nucleolo

Il nucleolo è una zona molto attiva trascrizionalmente che convoglia molti cromosomi i quali si associano e sono in attiva sintesi in quanto sono presenti tutti gli enzimi per far trascrivere il DNA in RNA e per maturarlo. Esistono esperimenti in cui vengono marcati con fluorescenze diverse i geni che è noto lavorino insieme, e si è visto che nel genoma si formano delle zone precise in cui vengono fatte delle specifiche funzioni. I cromosomi quando sono nella struttura dissolta (non compattata) sono estremamente organizzati l'uno vicino all'altro a seconda delle funzioni che devono svolgere.

Cellula aploide e diploide

La cellula aploide è una cellula che ha 1 sola copia di tutti i cromosomi (tipico dei procarioti), nell'immagine ci sono 3 cromosomi diversi presenti in singola copia. La cellula diploide è una cellula che ha 2 copie di ogni cromosoma, le quali sono omologhe (identiche in quanto uno deriva dal padre e uno dalla madre) si usa la sigla 2n Aploide Diploide La cellula n ploide ha n copie di ogni cromosoma, quindi 3n, 4n ecc. CROMOSOMI OMOLOGHI CROMOSOMI OMOLOGHI I cromosomi Omologhi arrivano da genitori diversi ma portano versioni diverse delle stelle informazioni genetiche COMOSOMI OMOLOGHI copia singola (2n) CENTROMERO REPLICAZIONE X La cellula adulta ha due copia del proprio DNA. In quel caso i cromosomi sono comnosti da due cromatidi fratelli ciascuno CROMATIDI CROMATIDI FRATELLI FRATELLI Un allele è una delle due o più forme alternative in cui può presentarsi un gene in un patrimonio genetico, gli alleli di un gene hanno un fenotipo diverso. Gli alleli di un gene occupano la stessa posizione sui cromosomi omologhi. Se prendiamo un cromosoma composto da due cromatidi fratelli, ho una doppia copia di DNA per ogni cromosoma (cromatidi fratelli) Qual è la quantità di DNA presente nella cellula se un cromosoma diploide composto da due cromatidi fratelli fa la mitosi (divisione cellulare)? 2n e 2c in cui 2c indica che è presente il doppio della quantità di DNA. È presente il doppio del DNA perché lo stesso cromosoma composto da due cromatidi fratelli si è diviso e si è duplicato, quindi ci sono due cromosomi omologhi 2n che si indicano con 2n e 2c. Nell'uomo, una volta che per le 23 coppie di cromosomi vengono appaiati gli omologhi ho il corredo cromosomico 2n e 2c in cui la cromatina si è compattata e prende il nome di cromosoma. Una volta compattato potrà avvenire la divisione cellulare per mitosi in modo da evitarne la rottura e facilitarne la distribuzione. È in questa fase che assumono la forma a x. XX XX XX 3 2 X X XX XX XX XX XX XX XX 6 7 8 9 10 11 12 xx xx XX 13 14 15 16 17 10 xx XX xx Xx 19 20 21 22 x23 Y Una volta che avviene la ripartizione genetica, in cui i cromosomi replicati saranno ripartiti nelle due cellule figlie il corredo cromosomico sarà solo 2n. Una volta terminata la mitosi ogni cromosoma si de compatta, in pratica vengono tolti gli istoni e viene fuori la sequenza di DNA e il cromosoma diventa eteromorfo. Una volta scompattato vengono fuori i siti di legame al DNA che permetterà l'attacco dei complessi enzimatici in fase G1 che lo replicheranno nuovamente in fase S. Questi siti di legame si formano nelle zone di cromatina che si sono de compattate abbastanza ossia le zone in cui avverrà la sintesi degli mRNA tipici della cellula. Ogni cellula è specializzata, pertanto sintetizza mRNA diversi a seconda della sua specializzazione; questo accade perché si aprono delle regioni piuttosto che altre, questo fenomeno viene comandato dalle modifiche post traduzionali (metilazione, fosforilazione e acetilazione). L'informazione sulle zone da aprire è ereditata quando la cromatina si duplica, la cellula madre ha dei marker che trasmette alla figlia. Questo fenomeno è definito modifica epigenetica, ossia un cambiamento del fenotipo ereditabile da una cellula in cui non si osserva un cambiamento del genotipo. Nel differenziamento cellulare di organismi che fanno la riproduzione sessuata, la cellula uovo (zigote) viene fecondata e si ha un corredo 2n (diploide) in quanto si fonde il corredo paterno e materno che sono aploidi singolarmente. Ora inizia a funzionare il nucleo diploide della cellula del nuovo organismo generato, successivamente avviene la prima divisione cellulare e si hanno 2 cellule, poi 4 e così via. Man mano che avvengono queste le divisioni cellulari, le cellule iniziano a specializzarsi, quindi lo stesso genoma inizia a essere programmato per rimanere aperto in certe zone di alcune cellule e in altre zone di altre cellule. Durante la specializzazione delle cellule avvengono modifiche agli Polo animale Ectoderma istoni o alla struttura della cromatina, quindi le compattazioni della cromatina verranno ereditate. Sistema a4.2 b4.2 nervoso A P Notocorda A4 1 B4.1 Tessuto muscolare Endoderma Mesenchima xň Polo vegetativo