Gli istoni sono proteine basiche che svolgono un ruolo chiave nell’impacchettamento del DNA e nella regolazione genica.
Il Ruolo Strutturale degli Istoni
Il ruolo strutturale degli istoni è determinato dalla loro capacità di impacchettare e condensare il DNA, facendo sì che una molecola dalla lunghezza lineare di circa due metri venga raggruppata in una ammasso di cromatina del diametro di appena cinque nanometri.
Se dovessimo “srotolare” completamente il DNA, i tre miliardi di paia di basi del genoma umano finirebbero per toccare una lunghezza a dir poco spropositata: oltre due metri!
Tutta questa ingombrante molecola, depositaria del codice genetico, dev’essere invece contenuta nel nucleo di una cellula che possiede mediamente un diametro inferiore a quello di un capello umano.
Gli istoni sono responsabili del fatto che questa lunga molecola è contenuta nel nucleo della cellula che ha solo pochi nanometri di diametro.
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Il DNA infatti si estende come un filo continuo che si ripiega per avvolgere gruppi di istoni: questo determina l’aspetto a collana di perle che ha la cromatina al microscopio elettronico.
Il nome «cromatina», assegnato dal biologo tedesco Walther Flemming (1843-1905), deriva dall’intensa colorazione assunta dalla sostanza ai coloranti basici impiegati nelle tecniche istologiche (dal greco kròma, «colore»).
I Nucleosomi: Unità Fondamentali della Cromatina
Tale funzione strutturale è consentita dalla interazione delle proteine istoniche con il DNA e la formazione dei cosiddetti nucleosomi.
I nucleosomi rappresentano solo il primo livello di condensazione del DNA operato dagli istoni.
Come detto, i nucleosomi rappresentano il primo livello di condensazione del DNA e sono considerati l'unità strutturale della cromatina.
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I nucleosomi descrivono spirali che possono risultare assai fitte e addensate oppure piuttosto lasse, “lente”.
Un singolo nucleosoma è costituito da un cuore di proteine istoniche attorno al quale si dispongono quasi due spire (150 paia di basi circa) del filiforme DNA.
Componente proteica del nucleosoma, la subunità fondamentale della cromatina.
Ogni nucleosoma è formato da cromatina avvolta intorno a un centro proteico di otto proteine istoniche.
Il nucleosoma consta di ca. 200 bp di DNA ed è organizzato in una struttura simile a una pallina da un ottamero di piccole proteine basiche, gli istoni.
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Un nucleosoma è costituito da un core, formato da 1,7 giri di DNA (circa 150 basi) avvolti intorno ad un ottamero proteico costituito da 4 coppie di unità istoniche differenti (H2A, H2B, H3 e H4), e due regioni di legame costituite da corte sequenze di DNA che non interagiscono con gli istoni dell'ottamero.
Gli istoni sono proteine basiche e le loro cariche positive ne consentono il “sodalizio” con il DNA, che è caricato negativamente.
L'interazione con il DNA è dovuta proprio all'elevata carica positiva, che consente la formazione di legami non covalenti con i gruppi fosfato carichi negativamente di cui il DNA è ricco.
La porzione di DNA che collega un nucleosoma ad un altro è rappresentata da DNA non protetto, che può essere attaccato dalle nucleasi per permettere la denaturazione della molecola, così da consentire lo studio nel dettaglio dei singoli nucleosomi.
Formazione e Interazione dei Nucleosomi
L'ottamero si forma spontaneamente in presenza di DNA; la formazione del core si genera attraverso una sequenza di fasi: la prima fase prevede la formazione di un tetramero costituito da due dimeri di H3-H4.
Il tetramero interagisce con il DNA iniziando un primo abbozzo di avvolgimento.
Queste regioni di DNA esposte, sono legate a un proteina istonica di tipo H1.
Gli istoni H1 fanno da ponte, interagendo con le porzioni di DNA linker e legandole agli ottameri, riconoscendo specifiche sequenze di entrambe le strutture.
Questa interazione causa l'avvicinamento dei nucleosomi e quindi un secondo livello di impacchettamento.
Inoltre gli istoni H1 possono interagire anche con gli altri H1 limitrofi e quindi operare la condensazione del DNA su più livelli successivi.
Gli istoni H1 hanno il ruolo di ripiegare ulteriormente il DNA, e per questo i diversi nucleosomi devono interagire fra di loro e avvicinarsi, e H1 funge da linker.
Classificazione degli Istoni
Quest’ultimi sono quattro proteine nucleari (H2A, H2B, H3, H4), ognuna presente in duplice copia.
Sono molecole piccole e altamente conservate nei viventi, presenti negli Eucarioti e negli Archeòbatteri ma non negli Eubatteri.
A queste cinque classi principali, vanno poi ad aggiungersi alcuni istoni che possono sostituire i principali in caso di particolari necessità.
Per distinguere fra di loro queste proteine si utilizzano cinque classi funzionali, che vediamo di seguito:
Istoni Core e Istone H1
Nello specifico, per formare un nucleosoma, 146 paia di basi sono avvolte ca. due volte attorno all’ottamero istonico costituito dal tetrametro (H3)2-(H4)2 e da due eterodimeri H2A e H2B.
Oltre a questi quattro istoni, è stato identificato l’istone H1, non compreso nel nocciolo nucleosomale e del quale esistono diverse varianti negli Eucarioti superiori.
Si suppone che questo istone sia deputato al compattamento della cromatina nella struttura di ordine superiore, neutralizzando le cariche elettrostatiche del DNA grazie al suo dominio carbossi-terminale ricco di residui amminoacidici carichi positivamente.
Gli istoni del core e gli istoni H1 hanno strutture differenti.
Struttura dell'Istone H1
H1 possiede tre domini: un dominio globulare centrale e due domini ammino- e carbossi-terminale.
Il dominio globulare centrale è formato da tre α eliche con un ripiegamento a forcina β nella regione carbossi-terminale.
Questo dominio possiede due regioni di legame per il DNA, la prima che corrisponde all’α di riconoscimento del motivo elica-giro-elica e la seconda, dalla parte opposta, formata da un gruppo di amminoacidi basici.
Struttura degli Istoni Core
Il dominio centrale degli altri quattro tipi di istoni è molto simile ed è caratterizzato da tre α eliche collegate da due anse (L1-L2), a formare una struttura cilindrica chiamata α1-L1-α2-L2-α3.
Le α-eliche α1 e α3 sono composte da 11 residui amminoacidici mentre α2 da 30.
Quest’ultima regione è quella deputata alle interazioni istone-istone e istone-DNA.
La catena ammino-terminale è invece bersaglio delle modificazioni post-traduzionali: acetilazione, fosforilazione, ubiquitinazione e metilazione.
Classi Funzionali degli Istoni
Gli istoni hanno un peso molecolare compreso tra gli 11 e i 16 KDa e presentano una grossa quota di residui amminoacidici carichi positivamente che possono legarsi in maniera aspecifica ai gruppi fosfato carichi negativamente del DNA.
- La tipologia H1 comprende dei peptidi di piccole dimensioni con carica positiva, il cui ruolo principale è far condensare i nucleosomi in fibre da 30 nm. A livello strutturale si presenta formata da un nucleo globulare e due code che si estendono verso l’esterno.
- Gli istoni H2A e H2B si chiamano così perché quando si legano al DNA si uniscono formando un dimero. Il monomero H2A ha una struttura che prevede un dominio globulare e una singola coda amminoacidica che si prolunga dalla sua estremità N-terminale. H2B è un peptide molto piccolo, lungo appena 126 amminoacidi, con struttura α elica e senza coda terminale.
- La tipologia H3 ha una struttura dimerica composta da due subunità uguali. Pur essendo molto conservata nei mammiferi esistono ben 7 forme di questo tipo di proteina istonica, di cui una delle più importati è la variante H3.3. Pare che abbia un ruolo fondamentale per mantenere integro il materiale genetico durante lo sviluppo dell’embrione.
- Le proteine H4 sono dei dimeri, esattamente come le H3, e si combinano con queste andando a formare un eterotetramero. Questa struttura si posiziona al centro del nucleosoma. Una minima mutazione nell’istone H4 può provocare la morte cellulare, ed è ancora più corta della proteina H2B, poiché conta solo 103 amminoacidi nella sua struttura primaria.
Il Ruolo Nella Regolazione Genica
Nella vita della cellula gli istoni hanno anche la funzione di regolare l’espressione genica. Queste proteine possono ricevere delle modifiche a livello chimico che possono attivare o disattivare alcune porzioni di cromatina. Di conseguenza alcuni geni possono essere espressi e altri essere silenziati.
Sebbene un tempo gli istoni erano ritenuti molecole ad azione specificamente strutturale, è oggi evidente che si tratti di componenti plastiche coinvolte intimamente nella regolazione dell'espressione di geni.
Le modifiche che possono intervenire sulla struttura delle code degli istoni core (metilazioni, acetilazioni, fosforilazioni e ribosilazioni) sono evidentemente connesse all'attivazione o riduzione dell'espressione di porzioni di genoma.
Le modifiche più frequenti sono la metilazione, l’acetilazione e la fosforilazione.
A mediare queste alterazioni della struttura chimica delle proteine istoniche ci sono degli enzimi (es. DNA metiltransferasi).
Questi intervengono a livello delle code amminoacidiche che sporgono all’estremità N-terminale descritte al paragrafo precedente.
I gruppi funzionali che gli enzimi si aggiungono a questi residui modificano infatti la carica positiva delle proteine, abbassandola.
Acetilazione e Deacetilazione
In particolare si è osservato come la acetilazione o de-acetilazione di specifiche regioni istoniche sia direttamente collegata alla attivazione o repressione (rispettivamente) di alcuni geni.
Attraverso l’acetilazione (aggiunta di un gruppo -COCH3) dei residui di lisina legati agli istoni ad esempio è possibile attivare la trascrizione dei geni.