Il nucleo e la regolazione genica: un viaggio tra eucarioti e procarioti

Indice

1. Struttura e funzione del nucleo
2. Organizzazione della cromatina
3. Regolazione genica nei procarioti

Struttura e funzione del nucleo

Il nucleo presente nelle cellule eucariotiche si presenta come un grosso corpo, il più delle volte sferico, che ha un importanza primaria perché conserva il codice genetico delle cellule, ossidando il rifornimento di molecole complesse del tipo richiesto, in quantità precise e svolge un ruolo chiave nella riproduzione cellulare. È separato dal circostante citoplasma da un involucro nucleare (si chiama involucro perché formato da due membrane) la membrana esterna spesso è in continuità con la membrana del reticolo endoplasmatico rugoso e può contenere ribosomi; la membrana interna è ricoperta da una rete fibrillare chiamata lamina nucleare che agisce da supporto strutturale e serve da sito d’attacco per le fibre di cromatina. I filamenti della lamina nucleare sono composti di polipeptidi chiamati lamine la cui integrità, come accade per i filamenti intermedi del citoscheletro è regolata da processi di fosforilazione che inducono rispettivamente al disassemblaggio e all’assemblaggio dei filamenti. In alcune regioni le due membrane del nucleo si fondono, così da formare Pori Nucleari, contenenti una complessa associazione di proteine, che attraversano entrambe le membrane, permettendo l’asportazione e l’importazione di sostanze. La struttura più evidente all’interno del nucleo è il Nucleolo, sito di costruzioni delle subunità ribosomali (DNA ribosomale, proteine ribosomali, RNA ribosomale). All'interno del nucleo si trova il materiale genetico, che quando la cellula non è in divisione si presenta come una messa di sottili filamenti aggrovigliati che formano la cromatina, immerso nel Nucleosoma.

Quando la cellula invece è in divisione la cromatina si condensa e sono visibili i singoli cromosomi. Una rete fibrillare insolubile costituisce poi la matrice extracellulare che funge da scheletro per mantenere la forma del nucleo, da impalcatura sulla quale si organizzano le anse di cromatina e da sito d’ancoraggio per i vari processi come la replicazione, la trascrizione, ecc... .

Attraverso i pori nucleari avvengono i movimenti delle sostanze in entrambe le direzioni tra il nucleo e il citoplasma.

I pori nucleari contengono un complesso apparato a forma di canestro (struttura complessa formata da anelli), che attraverso entrambe le membrane, chiamato Complesso Del Poro Nucleare (CPN). Secondo la specie contiene da 30 a 50 proteine differenti chiamate nucleoporine disposte simmetricamente a formare una struttura ottagonale. Soluti a basso peso molecolari, attraversano il poro nucleare rapidamente per semplice diffusione; molecole più grandi, come proteine ed RNA necessitano di un trasporto attivo, che sono selettivamente destinate ad esso, la proteine destinate al nucleo infatti, contengono un breve segmento aminoacidico vicino all’ estremità C-terminale che agisce da Segnale Di Localizzazione Nucleare (NLS) che consente alla proteina di passare al nucleo attraverso i pori nucleari (sempre tramite trasporto attivo).

Le proteine che eseguono il trasporto attivo appartengono ad una famiglia di proteine (chiamate Carioferine) che fungendo come Recettori di Trasporto, in grado di legare le molecole destinate al nucleo e trasportarle dentro o fuori. A questa famiglia appartengono le importine che trasportano le macromolecole del citoplasma al nucleo e le esportine che trasportano le macromolecole del nucleo al citoplasma. Il movimento di una proteina attraverso il poro è associato ad un cambio di conformazione del trasportatore che determina l’apertura di un canale acquoso nel trasportatore stesso, che rilascia la proteina all’interno del nucleo. Nel nucleo gioca un ruolo importante un’altra proteina, la RAN che nella sua fase attiva lega GTP e nella fase inattiva lega GDP. Il complesso GTP-RAN all’interno del nucleo si lega al complesso importina-proteina e ne determinale il disassemblaggio. La subunità NCS dell’importina è trasportate fuori dalla RAN-GTP e il GTP viene idrolizzato ad RAN-GDP. A questo punto la RAN-GDP ritorna nel nucleo dove viene riconvertita a GTP rendendosi così nuovamente disponibile. Dunque mentre il RAN-GDP induce l’assemblaggio dei complessi esportati.

Organizzazione della cromatina

Ogni cellula eucariote ha dunque un nucleo che contiene il codice genetico rappresentato dal DNA, quando la cellula non è in divisione è raggomitolato sotto forma di gel gelatinoso, la cromatina. Solo quando la cellula è in divisione, esso assume una struttura ordinata e si distribuisce nei diversi cromosomi (ogni numero è specifico per ogni specie vivente) ciascun cromosoma non replicato contiene una singola molecola di DNA. Per occupare poco spazio la cromatina è altamente organizzate :

- 1 livello: è composto di DNA e Proteine, la maggior parte delle proteine che costituiscono la cromatina sono istoni, protoni basiche (contengono aminoacidi basici come la Fisina e l’ Arginina) cariche positivamente attratte dal DNA che è un acido, carico negativamente, dunque DNA e istoni sono organizzate insieme in subunità ripetute dette nucleosoma, che costituiscono il primo livello di organizzazione della cromatina.

Un nucleosoma, infatti, è costituito da un istone a forma di disco sul quale si avvolge due volte il DNA, tale complesso, chiamato core (formato da 8 molecole istoniche). Questa struttura si ripete tante volte finché tutto il materiale genetico non è tutto cosi disposto. Questo primo livello dunque viene a costituire la cosiddetta “collana di perle“.

- 2 livello: la cromatina cosi distribuita, non è l’ultimo livello, le macromolecole istoniche di nucleosomi vicini interagiscono fra loro formando fibre di 30nm. Istoni clinker e istoni del core sono ambedue coinvolti nella struttura cromatica d’ordine superiore.

- 3 livello: le fibre di cromatina da 30 nm si organizzano in una serie di ampie Anse Superavvolte, dette domini (regione all’interno di una proteina, che si ripiega e funziona in maniera semi-indipendentemente)

- Ultimo livello d’organizzazione: quando le cellule si preparano alla mitosi, le anse sono ulteriormente compattate in Cromosomi Mitotici (condensazione massima) che rappresenta l’ultimo stadio di compattamento della cromatina. Due metri di DNA, nelle cellule umane, sono suddivise in 46 cromosomi, 22 coppie autosomali e 1 coppia xx o xy.

La cromatina assume questa compattazione solo durante la duplicazione, durante la mitosi, per favorire la trasmissione di un corredo intatto di DNA a ciascuna cellula figlia. Usando adeguatamente gradi di colorazione questi possono essere facilmente individuati, accoppiati in coppie d’omologhi e disposti in ordine decrescente in base alla loro dimensione determinando il cariotipo. Ciascun cromosoma presenta una netta incavatura corrispondente al Centromero, zona che contiene eterocromatina costitutiva, formata cioè da sequenze di DNA altamente ripetute, che lega proteine specifiche servendo come sito di attacco per i microtubuli durante la mitosi. Le estremità dei cromosomi contengono un insolito tratto di sequenze ripetuto chiamato Telomero che serve come da “cappuccio“ a ciascun’estremità del cromosoma. La sequenza telomerica è molto simile in tutti i vertebrati e in altri organismi ed è mantenuta di generazione svolta da speciali enzimi telomerasi (è una trascrittasi inverse che sintetizza DNA usando RNA come stampo) che contengono del RNA come componete integrale.

Svolgono un ruolo importante perché formano un cappuccio che protegge i cromosomi dalle nucleasi e da altri fattori destabilizzanti e impediscono che le estremità dei cromosomi si fondano tra loro.

N.B. = la cromatina è suddivisibile in:

- eucromatina (la cromatina che manifesta l’alternanza di condensazione e decondensazione durante il ciclo cellulare e che è trascritta attivamente e che quindi contiene geni che vengono espressi) => cromatina che ritorna allo stato disperso durante l'interfase;

- eterocromatina (la cromatina che rimane generalmente condensante durante tutto il ciclo cellulare e che è trascrizionalmente inattiva): l’eterocromatina costitutiva (una cromatina che è sempre eterocromatico in tutte le cellule e in ogni momento, un esempio è la cromatina dei centromero) ed eterocromatina facoltativa (una cromatina che non è sempre è eterocromatina, ma che varia nei diversi stadi dello sviluppo; è un esempio il corpo di Barr, che rappresenta uno dei due cromosomi x inattivato nelle cellule somatiche delle femmine di mammifero).

Regolazione genica nei procarioti

Nei procarioti i geni sono organizzati in unità regolatorie dette Operoni. Gli operoni sono formati da gruppi di geni strutturali che generalmente codificano per differenti enzimi della stessa via metabolica. Poiché tutti i geni strutturali vengono trascritti in un singolo mRNA, la loro espressione genica viene controllato da un metabolita chiave, come l’induttore lattosio, che si lega ad una proteina repressore e ne cambia la conformazione. Ciò altera la capacità del repressore di legarsi al sito operatore del DNA bloccando così la trascrizione del complesso di geni.

Il livello di sintesi di un particolare polipeptide è determinato da una serie complessa d’eventi regolatori che agiscono principalmente a 3 diversi livelli:

- Meccanismi di controllo a livello trascrizionale, determinano se e per quanto tempo un gene deve essere trascritto.

- I meccanismi di controllo a livello della maturazione regolano la via mediante la quale il trascritto primario di RNA viene modificato in un RNA maturo

- I meccanismi di controllo a livello traduzionale determinano se un particolare mRNA deve essere tradotto, per quanto tempo e quanto spesso.