Negli eucarioti, il DNA è organizzato nel nucleo in una struttura nucleoproteica nota come cromatina. La cromatina è un complesso altamente organizzato di DNA e proteine ed è uno dei componenti principali del nucleo cellulare.
Per lungo tempo la cromatina è stata considerata un semplice sistema di 'impacchettamento', deputato a immagazzinare i quasi 2 m di DNA genomico umano nel ristretto spazio nucleare, caratterizzato da un diametro di circa 10 μm. Solo recentemente la nostra percezione della funzione della cromatina è cambiata, con l'attribuzione di molteplici funzioni, modulate nel tempo e nello spazio.
La cromatina è una massa di tessuto genetico composta da DNA e proteine che si condensa per dare forma ai cromosomi in tutto il reparto cellulare eucariotico. La funzione principale di questo composto di DNA e proteine è quella di comprimere il DNA in un’unità compatta, più piccola e in grado di inserirsi all’interno del nucleo. È il complesso di DNA genomico e proteine associate nel nucleo. Questa forma migliore del DNA consente alle cellule di confezionare il proprio DNA, offre un’impalcatura per il reparto cellulare e controlla l’espressione genica.
La cromatina costituisce, quindi, una piattaforma su cui convergono molteplici segnali biologici che, una volta integrati, determinano risposte molecolari essenziali per una corretta regolazione non solo della trascrizione ma anche di tutti quei processi metabolici che coinvolgono la doppia elica, quali la replicazione, la riparazione e la ricombinazione. In accordo con ciò, molteplici processi cellulari, come la proliferazione e il differenziamento, vengono influenzati da variazioni della struttura cromatinica.
Inizialmente, la cromatina era considerata la sostanza che dà il colore al nucleo cellulare. In seguito si è scoperto che non è solo una sostanza colorante, ma è uno dei più importanti regolatori dell’espressione del DNA. La struttura della cromatina svolge un ruolo importante anche nella replicazione del DNA.
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Componenti della Cromatina
La cromatina è composta principalmente da DNA e proteine, tra cui gli istoni e le proteine non istoniche. Le proteine istoniche e il DNA hanno la stessa massa nella cromatina eucariotica (sebbene esistano anche cellule con proteine non istoniche).
Istoni
Gli istoni sono proteine basiche, cariche positivamente per l'alto contenuto di aminoacidi come lisina e arginina. Sono in grado di neutralizzare le cariche negative del DNA e consentire l'avvicinamento di più porzioni di esso senza che si respingano. Intervengono sin dal primo livello di compattazione della cromatina, quello in cui essa appare come una collana di perle.
Gli istoni aiutano a organizzare il DNA in sistemi noti come nucleosomi, offrendo una base su cui il DNA può essere avvolto. Le proteine istoniche aiutano a organizzare il DNA in unità strutturali chiamate nucleosomi, che vengono poi assemblate in una struttura compatta (cromatina) e infine in strutture molto grandi e di alto livello (cromosomi).
L'unità di base della cromatina è il nucleosoma, costituito da 146 paia di basi (bp) di DNA che si avvolgono per circa due volte intorno a un ottamero di piccole proteine altamente basiche (cariche positivamente), note come 'istoni'. Ogni nucleosoma contiene due molecole di ognuno dei quattro istoni del core (H2A, H2B, H3 e H4), che si organizzano in un tetramero centrale formato da H3 e H4, fiancheggiato da due eterodimeri di H2A e H2B.
Nella struttura a collana di perle, il filo è rappresentato dal DNA, le perle dai nucleosomi. Ogni nucleosoma ha un diametro di 10 nm ed è un complesso di otto istoni attorno al quale si avvolge un tratto di DNA lungo 146 pb (paia di basi). Gli istoni presenti sono indicati come H2A, H2B, H3 e H4, e di ognuno di essi sono presenti due copie.
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Oltre agli istoni del core, i nucleosomi degli organismi pluricellulari contengono anche una molecola di istone linker, quale H1, che permette l'avvolgimento di altre 20÷30 bp di DNA.
Proteine Non Istoniche
Oltre agli istoni, la cromatina contiene una varietà di proteine non istoniche che svolgono ruoli cruciali nella regolazione dell'espressione genica e nella manutenzione della struttura della cromatina.
Struttura e Organizzazione della Cromatina
La cromatina presenta diversi livelli di organizzazione, che vanno dalla struttura a collana di perle alla fibra da 30 nm, fino alle strutture più complesse che si trovano nei cromosomi metafasici.
Come detto, se si estrae la cromatina dai nuclei di cellule in interfase, essa si presenta al microscopio elettronico formata da fibre dallo spessore di 30 nm. Uno dei modelli più accreditati è quello detto a ZigZag, di cui esisterebbero diverse varianti in funzione della lunghezza del DNA linker.
Benché la condensazione sia una proprietà intrinseca alla fibra nucleosomiale, la presenza di H1 favorisce la formazione del livello strutturale immediatamente superiore, costituito dalla fibra da 30 nm.
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La compattazione del DNA raggiunta con la fibra da 30 nm è ancora insufficiente per alloggiare l'intero genoma nel nucleo della cellula; intervengono, quindi, altri meccanismi di condensazione che determinano la formazione delle fibre dello spessore di 100÷400 nm, che caratterizzano la cromatina interfasica, o strutture ancora più compatte tipiche del cromosoma metafasico.
I cromosomi vengono ulteriormente compressi durante la metafase. Durante la divisione cellulare nelle cellule eucariotiche, il DNA deve essere diviso equamente in due cellule figlie. Durante questa fase, il DNA è altamente compresso e, non appena la cellula termina la divisione, il cromosoma si ritrae. Se si confronta la lunghezza dei cromosomi in metafase con quella del DNA lineare, il rapporto di impacchettamento può arrivare fino a 10.000:1.
Eucromatina ed Eterocromatina
All'interno del nucleo, la cromatina si presenta in due forme principali: eucromatina ed eterocromatina. Questi termini furono proposti per la prima volta nel 1928 dal botanico tedesco Emil Heitz, in riferimento alla diversa intensità di colorazione che la cromatina di cellule di muschio assumeva durante il ciclo cellulare.
- Eucromatina: L'eucromatina coincide con la porzione di cromatina le cui fibre hanno uno spessore di 30 nm. Essa rappresenta l'organizzazione strutturale dell'eucromatina. L'eucromatina si caratterizza, invece, per la presenza di residui acetilici sulle code istoniche. L’eucromatina e altre aree attive del genoma si replicano prima.
- Eterocromatina: L'eterocromatina presenta un grado di compattazione superiore a quello della fibra da 30 nm, in larga parte ancora da definire. L'eterocromatina ha un grado di compattazione maggiore rispetto all'eucromatina e rappresenta circa il 10% della cromatina del nucleo di una cellula eucariotica. Gli scienziati hanno proposto che la natura altamente condensata dell’eterocromatina impedisca la trascrizione del DNA. Allo stesso modo, nell’eterocromatina e nella zona silente circostante, il processo di replicazione è lento.
L'eterocromatina si distingue in costitutiva e facoltativa. La prima rimane tale in tutte le cellule e in tutte le fasi del ciclo cellulare e si trova, ad esempio, nelle regioni del centromero e dei telomeri, di cui ne garantisce l'integrità strutturale. La seconda interessa quelle porzioni di cromatina in cui sono presenti geni che non devono essere espressi, a seconda del tipo di cellula, della fase del ciclo cellulare e del tipo di attività metabolica in corso. Per la sua organizzazione strutturale, l'eterocromatina svolge anche una funzione protettiva dall'inserimento di elementi genetici mobili.
Funzioni della Cromatina
La cromatina svolge diverse funzioni essenziali all'interno della cellula, tra cui:
- Compattazione del DNA: The most important function of chromatin is to pack long strands of DNA into a much smaller space. The linear length of DNA is very important in relation to its location. In order to fit together without becoming tangled or damaged, DNA must be compacted by some method. The compaction of DNA in the nucleus is called condensation. The degree of condensation of DNA within a body is called the packing ratio. The packing ratio of DNA is about 7000. Because of this high packing ratio, DNA is not embedded directly in the chromatin structure. The initial packaging is achieved by wrapping the DNA around the nucleosome. This packing is the equal for heterochromatin and euchromatin. The second level of packaging is achieved by wrapping the beads in a 30 nm fibre that is also found in mitotic chromosomes and interphase chromatin. This wrapping increases the packing ratio from 6 to 40. The third stage of compaction is achieved by winding the fibre into rings, domains and scaffolds.
- Regolazione dell'espressione genica: La struttura della cromatina svolge un ruolo importante anche nella replicazione del DNA. L’impacchettamento della struttura del DNA è trascrizionalmente repressivo e consente solo un livello basale di espressione genica. Durante il processo di trascrizione, la struttura di questo composto di DNA e proteine viene modificata da alcuni repressori e attivatori che interagiscono con l’RNA per regolare l’attività del gene. La cromatina svolge anche un ruolo di regolazione dell’espressione genica: attraverso la tecnica della variegazione posizionale, i geni possono diventare trascrizionalmente inattivi grazie alla loro collocazione vicino all’eterocromatina della cromatina silente. La distanza tra la cromatina eterocromatica silente e i geni può raggiungere le 1000 coppie di kilobasi.
- Protezione del DNA: Per la sua organizzazione strutturale, l'eterocromatina svolge anche una funzione protettiva dall'inserimento di elementi genetici mobili.
Modificazioni della Cromatina
La struttura della cromatina è dinamica e può essere modificata da diversi enzimi che agiscono sugli istoni e sul DNA. Queste modificazioni possono influenzare l'espressione genica e altri processi cellulari.
Nelle cellule eucariotiche queste modificazioni strutturali sono mediate da una complessa serie di attività enzimatiche che, modificando post-traduzionalmente le proteine che compongono la cromatina o alterandone l'associazione con il DNA mediante l'idrolisi di ATP, partecipano attivamente alla regolazione trascrizionale. Infine, le proprietà locali della fibra cromatinica possono essere modulate attraverso l'introduzione o l'eliminazione di specifiche proteine strutturali capaci di influenzarne la dinamicità.
In particolare, queste funzioni vengono svolte da complessi enzimatici che modificano post-tradizionalmente gli istoni o che, mediante l'idrolisi di ATP, alterano la posizione o la struttura dei nucleosomi.
La riorganizzazione della posizione dei nucleosomi da parte di complessi di rimodellamento ATP-dipendenti e la modificazione covalente delle proteine istoniche rappresentano due meccanismi centrali nella regolazione dell'attività cromatinica. In accordo con ciò, le cellule eucariotiche sono dotate di un numero straordinariamente elevato di complessi, capaci di introdurre sulle proteine del nucleosoma una vasta serie di cambiamenti post-traduzionali.
Tecniche di Studio della Cromatina
Diverse tecniche sono utilizzate per studiare la struttura e la funzione della cromatina, tra cui:
- Microscopia elettronica: Permette di visualizzare la struttura della cromatina a diversi livelli di ingrandimento.
- Immunoprecipitazione della cromatina (ChIP): Chromatin immunoprecipitation (ChIP) is a powerful technique to map the in vivo distribution of proteins associated with chromosomal DNA. These proteins can be histone subunits and post-translational modifications or other chromatin-associated proteins such as transcription factors, chromatin regulators, etc. In addition, ChIP can be used to identify regions of the genome associated with these proteins or, conversely, to identify proteins associated with a particular region of the genome. ChIP methodology often involves protein-DNA and protein-protein cross-linking, fragmentation of the cross-linked chromatin and subsequent immunoprecipitation of the chromatin with an antibody specific for a target protein.
Implicazioni nella Terapia del Cancro
Sarà perciò estremamente importante comprendere quali geni risultino selettivamente deregolati nella cancerogenesi. Questi studi permetteranno lo sviluppo di nuovi e mirati approcci terapeutici (terapia epigenetica). A tale proposito vale comunque la pena ricordare che attualmente sono in uso alcuni inibitori delle istondeacetilasi e delle DNA-metiltransferasi, che sembrano ben tollerati e presentano un'attività clinica efficace contro diversi tipi di neoplasie.