Struttura, organizzazione e replicazione del DNA e ruolo degli istoni

Struttura del DNA

Il DNA è un polimero del monomero nucleotide. Ha una struttura a doppia elica in cui la singola elica è complementare all’altra.

Un filamento di DNA procede in senso 5’3’, il filamento complementare in senso 3’5’.

Queste doppie eliche sono legate tra loro da legami a idrogeno tra le basi azotate, in particolare si formano 2 legami tra Adenina-Timina (nell’RNA la timina è sostituita dall’uracile), e 3 legami tra Guanina-Citosina.

Organizzazione del DNA nel nucleo

Il DNA essendo di lunghezza molto elevata, per essere inserito in un organello di piccole dimensioni come il nucleo, deve avere un grado di riorganizzazione molto elevato. Questa riorganizzazione è ottenuta attraverso specifiche proteine basiche, dette istoni.
Oggi si conoscono 5 classi di istoni: H2A, H2B, H3, H4 e H1. I primi 4 si associano tra loro, ognuno in 2 coppie a formare un complesso proteico denominato ottamero istonico. Attorno a questa struttura si forma il nucleosoma, ossia il primo livello di organizzazione superiore assunto dal DNA, che si avvolge attorno al complesso proteico. Ogni nucleosoma avvolge attorno a sé una lunghezza di DNA pari a circa 200 basi.

L'istone H1 si occupa di organizzare fra loro i diversi nucleosomi mantenendo i contatti fra 2 nucleosomi adiacenti. Senza H1 i nucleosomi non potrebbero ordinarsi nelle successive strutture di impacchettamento del DNA. Si può quindi dire che l’istone H1 chiude la catena di DNA avvolta attorno all’ottamero.

Le proteine istoniche sono in grado di conferire al DNA diverse funzioni, aumentando la possibilità di essere espresso di un gene. Gli istoni presentano delle code terminali, che sporgono all’esterno del nucleosoma e possono subire modificazioni a livello di residui di serina e lisina, che permettono di modificare la funzione del nucleosoma.

L’istone H1 oltre a creare un maggior grado di compattamento, interagisce con il DNA-linker (ossia quella porzione di DNA che collega un istone all’altro). Questa interazione produce maggiore adesione del DNA all’ottamero istonico e lega anche una sequenza di 147 paia di basi all’ottamero istonico.

Nell’immagine a lato, nelle foto al TEM, si nota come sia aumentato l’ordine nella disposizione dei nucleosomi a seguito della presenza dell’istone H1.

30 nm, che si forma tramite interazioni tra le code n-terminali degli istoni e i nucleosomi adiacenti. Se gli istoni del core istonico sono privi di code non sono in grado di formare le fibre da 30 nm.

Più la conformazione è ordinata, più le informazioni possono essere raggiunte nel modo più veloce possibile.

Modelli di organizzazione del DNA

A seconda delle interazioni che si verificano tra ottamero-ottamero e ottamero-H1, si possono avere due differenti livelli di organizzazione: il modello a solenoide e il modello a zig-zag. Nel modello a solenoide i nucleosomi lasciano uno spazio vuoto al centro, mentre nel modello a zig-zag lo spazio è occupato. Tra le due teorie la più accreditata è quella del modello a zig-zag, che permetterebbe a degli enzimi di entrare più internamente nella struttura.

L’associazione dell’ottamero istonico con il DNA è necessariamente dinamica per permettere l’accesso al DNA ad altre proteine che dovranno mediare specifiche funzioni. Inoltre degli studi dimostrano che le sequenze dei siti di entrata e uscita risultano più accessibili (il DNA può quindi essere reso disponibile da un parziale srotolamento del DNA).

Inoltre lo srotolamento del filamento di DNA avviene anche in base alla posizione in cui la proteina deve legarsi, come mostrato nell’immagine a lato.

L’interazione tra il DNA e l’ottamero istonico è regolata da grossi complessi proteici chiamati complessi di rimodellamenti nucleosomico, la cui attività è regolata dall’energia forniti dall’idrolisi di molecole di ATP.

Teorie sul comportamento del DNA

Il comportamento delle molecole di DNA è spiegato da 3 diverse teorie:

- Teoria dello scivolamento, in cui il DNA viene reso disponibile per scivolamento sull’istone, il nucleosoma dopo si riforma identico a prima;

- Teoria del trasferimento, in cui il DNA di interesse viene rimosso completamente dall’istone e sostituito da un altro DNA;

- Teoria del rimodellamento, in cui il DNA di interesse viene girato e disposto verso l’esterno, in modo tale che possa essere letto.

Le tre teorie sono mostrate nell’immagine a lato.

Modificazioni della cromatina

La coda N-terminale degli istoni può andare incontro a modificazioni che alterano la funzione della cromatina. Queste modificazioni sono:

- Acetilazione, con aggiunta di lisine;

- Metilazione, con aggiunta di Lisine + arginine;

- Fosforilazione, con aggiunta di Serine.

Nel DNA si può quindi attivare o disattivare un gene in base a cosa si attacca.

Replicazione del DNA e istoni

Quando avviene la replicazione del DNA deve avvenire anche la creazione di altri istoni, per permettere la riorganizzazione del nuovo filamento. La duplicazione del DNA segue un modello semi-conservativo, cioè ogni filamento creato presenterà un filamento parentale e un filamento neo-creato. Lo stesso avverrà anche per gli istoni: una parte viene riutilizzata, e un'altra parte invece creata. Ovviamente la distribuzione non è casuale, si uniscono infatti i tetrameri H3 e H4 e i dimeri H2A e H2B, che o sono integralmente nuovi o sono quelli parentali.

Nell’immagine a lato è rappresentata la distribuzione degli istoni durante la sintesi del nuovo filamento.

Condensazione del DNA in cromosomi

Nelle cellule meristematiche il DNA è fortemente spiralato e condensato in cromosomi. Prima di arrivare al cromosoma ci sono però dei passaggi intermedi. Dalla fibra 30 nm si passa all’ansa di cromatina, una molecola di DNA che è più ripiegata. Normalmente il DNA nella cellula è sotto forma di cromatina e occupa uno spazio abbastanza ridotto.

Il DNA per essere diviso nelle due cellule figlie viene condensato ancora di più, a formare il cromosoma. Quindi la cellula è pronta per la divisione cellulare.

Ogni cromosoma è costituito da due parti fuse insieme dal centromero, queste due parti sono i cromatidi.

Il centromero è un interazione proteica tra DNA e istoni. Il centromero non deve sintetizzare geni, ha solo funzione meccanica.

Alle estremità dei cromosomi sono poi presenti i telomeri, cioè sequenze di DNA che non codificano per alcun carattere, ma hanno funzione di proteggere i geni che seguono.

L’immagine nella pagina seguente mostra i diversi livelli di organizzazione del DNA sia disegnati che osservati al TEM. Si nota come l’ordine e l’organizzazione sia sempre crescente fino a raggiungere il massimo livello nel cromosoma.

Duplicazione e divisione cellulare

Quando il DNA deve essere copiato interamente, per ragioni di tempo la duplicazione inizia in più punti specifici contemporaneamente. Questi punti si dicono origini di replicazione, e sono lunghi da 1 a 40 kbp. Dopo la replicazione ci sono due cromosomi omologhi, che sono uno la copia dell’altro. Questi due cromosomi sono tenuti insieme dal centromero, a livello del cinetocore. Il cinetocore è il punto di contatto tra i due cloni dello stesso cromosoma, per permettere una divisione ordinata, cioè che mediante il fuso mitotico, un cromosoma migri ad un polo della cellula e un cromosoma migri al polo opposto.