Biologia generale

Unità didattica 2: I meccanismi cellulari di trasmissione e controllo dell’informazione

genetica e epigeneteica

Il nucleo e il genoma delle cellule eucariotiche: I cromosomi lineari delle cellule

eucariotiche

Il DNA si trova nel nucleo sotto forma di molecole lineari organizzate in strutture chiamate

cromosomi, a differenza di quanto accade nelle cellule procariote, dove il DNA è presente in

forma circolare e generalmente contenuto in un singolo cromosoma. Nei procarioti, inoltre,

possono essere presenti plasmidi, piccoli frammenti di DNA circolare che replicano

autonomamente e spesso portano geni accessori, ad esempio per la resistenza agli antibiotici.

I cromosomi umani sono in totale 46, di cui 44 costituiscono 22 coppie di cromosomi

omologhi (autosomi), e i restanti due sono i cromosomi sessuali, che determinano il sesso

biologico dell’individuo: XX nella femmina e XY nel maschio.

I cromosomi contengono i geni, che rappresentano le unità fondamentali dell’informazione

genetica. Nell’essere umano, il numero totale di geni è stimato intorno ai 20.000–21.000. Di

questi, circa 20.000 geni codificano per proteine, mentre una parte significativa (qualche

migliaio) codifica per RNA non codificanti (non coding RNA), cioè RNA che non vengono

tradotti in proteine, ma svolgono ruoli importanti nella regolazione dell’espressione genica e

in altri processi cellulari. Tra questi RNA troviamo i microRNA (miRNA), i small interfering

RNA (siRNA), gli small nucleolar RNA (snoRNA) e i long non-coding RNA (lncRNA), solo

per citarne alcuni.

L’insieme completo dei geni e di tutto il DNA presente in una cellula prende il nome di

genoma. Il genoma non comprende solo le sequenze codificanti per proteine, ma anche le

sequenze regolatorie, gli RNA non codificanti e le regioni non funzionali (a volte definite

“DNA spazzatura”, anche se oggi si sa che molte di esse hanno ruoli regolatori).

I cromosomi, all’interno del nucleo, non sono distribuiti casualmente nel nucleoplasma, ma

sono organizzati in specifiche regioni dette “territori cromosomici”, che favoriscono

un’espressione genica ordinata e regolata. Ogni cromosoma occupa una zona ben precisa del

nucleo interfasico, e questa organizzazione spaziale è fondamentale per la regolazione della

trascrizione e per il corretto funzionamento cellulare.

Nel nucleo esistono inoltre compartimenti funzionali, come gli speckles nucleari, che

appaiono come “macchioline” osservabili mediante immunofluorescenza usando anticorpi

marcati con coloranti specifici. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, gli speckles

non sono aggregati di geni, ma zone di accumulo di proteine coinvolte nella maturazione

dell’RNA, in particolare nello splicing dell’mRNA. La loro posizione può variare, ma è

comunque legata all’attività trascrizionale delle cellule.

Infine, i complessi molecolari che operano nel nucleo (come i complessi di trascrizione,

splicing, modifica dell’RNA, ecc.) tendono a concentrarsi in aggregati specifici, formando

strutture ben organizzate come il nucleolo (dove avviene l’assemblaggio delle subunità

ribosomiali), i già citati speckles, i corpi di Cajal, e altri compartimenti nucleari. Questa

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compartimentalizzazione contribuisce a rendere più efficienti i processi cellulari e a regolare

finemente l’espressione genica. Il cariotipo nell’uomo

Il cariotipo umano è costituito da 46 cromosomi, organizzati in 22 coppie di cromosomi

omologhi (autosomi) e una coppia di cromosomi sessuali. In totale, ogni cellula somatica

contiene quindi 23 coppie di cromosomi. Questi cromosomi sono costituiti da DNA

fortemente condensato insieme a proteine istoniche e non istoniche, e diventano

particolarmente visibili durante la metafase della divisione cellulare, momento in cui il DNA

è al massimo grado di condensazione. È proprio in questa fase che vengono generalmente

analizzati per costruire un cariotipo.

Il cariotipo può riferirsi sia al numero e alla struttura dei cromosomi presenti in una cellula,

sia alla tecnica di analisi citogenetica utilizzata per osservarli. In ambito di genetica medica,

si esegue un’analisi detta anche “pannello cromosomico”: un’immagine in cui tutti i

cromosomi vengono disposti in ordine decrescente di grandezza, numerati da 1 a 22, e infine

affiancati i cromosomi sessuali, che saranno XX nella femmina e XY nel maschio.

In questa rappresentazione standardizzata:

I bracci corti dei cromosomi, indicati con la lettera “p” (dal francese petit), vengono

● orientati verso l’alto;

I bracci lunghi, indicati con la lettera “q”, vengono disposti verso il basso;

● L’interruzione tra i due bracci è il centromero, che rappresenta il punto di attacco tra

● i due cromatidi fratelli.

Queste immagini vengono ottenute attraverso microscopia ottica su cellule trattate in

laboratorio (di solito linfociti in metafase), e colorate con tecniche specifiche come la

bandeggiatura G. La diploidia e i cromosomi omologhi

Ogni coppia di cromosomi omologhi è formata da due cromosomi simili per forma,

dimensioni e posizione del centromero, ma uno di origine materna e uno di origine paterna.

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Tuttavia, ogni cromosoma in sé non è composto da un cromatidio materno e uno paterno,

come a volte si pensa erroneamente. I cromatidi fratelli sono le due copie identiche formate

dalla replicazione del singolo cromosoma (sia esso materno o paterno) prima della divisione

cellulare.

Il concetto di ploidia indica il numero di set completi di cromosomi presenti in una cellula.

Le cellule somatiche umane sono diploidi (2n), cioè contengono due copie di ciascun

cromosoma, per un totale di 46 cromosomi. Al contrario, i gameti (ovociti e spermatozoi)

sono aploidi (n) e contengono solo 23 cromosomi, uno per ogni coppia, poiché devono unirsi

durante la fecondazione per ricostituire il corredo diploide dell’organismo.

Alle estremità dei cromosomi si trovano i telomeri, strutture specializzate di DNA altamente

ripetitivo e compattato. I telomeri proteggono le estremità dei cromosomi dall’attacco di

enzimi chiamati nucleasi, che degradano gli acidi nucleici partendo proprio dalle estremità

libere. Inoltre, i telomeri hanno un ruolo cruciale nel controllo della senescenza cellulare e

nella stabilità genomica.

Durante la condensazione dei cromosomi in fase mitotica, entrano in gioco le coesine,

complessi proteici che:

Mantengono uniti i due cromatidi fratelli fino alla separazione durante l’anafase;

● Facilitano l’allineamento e la corretta segregazione dei cromosomi;

● Contribuiscono anche al superavvolgimento del DNA, necessario per la sua

● compattazione.

Un’altra struttura fondamentale è il cinetocore, un complesso proteico che si forma sul

centromero di ciascun cromatidio. Il cinetocore è essenziale perché permette l’aggancio dei

microtubuli del fuso mitotico, i quali tirano i cromatidi fratelli verso poli opposti durante la

divisione cellulare. Grazie a questo meccanismo, ogni cellula figlia riceverà una copia esatta

di ciascun cromosoma. Pagina 55

La cromatina: I nucleosomi

Compattazione del DNA e organizzazione della cromatina: Una delle più

sorprendenti caratteristiche delle cellule eucariotiche è la straordinaria discrepanza tra la

lunghezza del DNA e lo spazio estremamente ridotto in cui questo deve essere contenuto. In

una cellula umana, il nucleo ha un diametro medio di circa 5 micrometri, mentre il DNA in

esso contenuto, se completamente disteso, raggiungerebbe una lunghezza di circa 1,70 metri.

Ciò significa che il DNA deve essere compattato per oltre 350.000 volte per poter essere

racchiuso nel nucleo.

Ogni cellula aploide (come spermatozoo o cellula uovo) contiene circa 3 x 10⁹ nucleotidi,

corrispondenti a circa 3 gigabasi (Gb) o 3.000 megabasi (Mb) — dove una megabase (Mb)

equivale a 1 milione di coppie di basi.

Compattazione in organismi semplici: virus e batteri: Anche organismi molto più

semplici, come virus e batteri, affrontano il problema della compattazione del loro DNA. In

questi organismi, speciali enzimi chiamati girasi (topoisomerasi di tipo II) introducono

superavvolgimenti (supercoiling) nel DNA, facilitando il suo impacchettamento all’interno

del capside virale (nei virus) o nel nucleoide (nei batteri, che non possiedono un vero

nucleo). Questo meccanismo è essenziale per ridurre il volume occupato dal DNA senza

danneggiare la funzionalità.

Cromatina: la forma compatta del DNA eucariotico: Negli eucarioti, il DNA è

associato a proteine specializzate per formare una struttura chiamata cromatina. Le proteine

principali della cromatina sono gli istoni, che hanno la funzione di impacchettare il DNA e

regolare l’accesso all’informazione genetica.

L’impacchettamento del DNA e le proteine istoniche

Istoni e formazione del nucleosoma: Gli istoni della prima classe comprendono le

proteine H2A, H2B, H3 e H4. Queste sono ricche di amminoacidi basici come lisina e

arginina, che permettono loro di legarsi efficacemente al DNA carico negativamente. I legami

tra DNA e istoni sono di tipo ionico (tra cariche opposte), idrogeno e coinvolgono anche

forze di Van der Waals.

Quattro coppie di questi istoni (due di ciascun tipo) si associano a formare un ottamero

istonico. Il DNA si avvolge due volte attorno a questa struttura, formando un’unità chiamata

nucleosoma, che racchiude circa 146 coppie di basi. I nucleosomi sono separati da tratti di

DNA chiamati DNA linker (o spaziatore), lunghi circa 50 coppie di basi. Questa

organizzazione forma la cosiddetta “collana di perle”, visibile al microscopio elettronico, dove

ogni “perla” (nucleosoma) ha uno spessore di circa 10 nanometri.

Istone H1 e formazione del solenoide: Il successivo livello di compattazione è regolato

dalla presenza dell’istone H1 (seconda classe), che si lega al DNA linker e stabilizza

l’avvolgimento del DNA attorno al nucleosoma. L’istone H1 “chiude” l’ingresso e l’uscita del

DNA sul nucleosoma, facilitando l’interazione tra nucleosomi adiacenti, attraverso

interazioni testa-coda tra le code istoniche. Pagina 56

Questa interazione porta alla formazione di una struttura più compatta e ordinata, chiamata

solenoide, con uno spessore di circa 30 nanometri. Questa fibra a zig-zag rappresenta uno

stadio intermedio di compattamento della cromatina.

Eucromatina o eterocromatina: Il grado di compattamento della cromatina varia

durante il ciclo cellulare e in base all’attività genica.

L’eucromatina è meno condensata, distribuita nel nucleo durante l’interfase, ed è la

● forma di cromatina attivamente trascritta, poiché il DNA è accessibile ai complessi

enzimatici della trascrizione e replicazione. Le fibre da 30 nm sono organizzate in

anse di 50–100 kilobasi, e i geni in fase attiva si trovano in regioni ancora più

decondensate.

L’eterocromatina, al contrario, è altamente condensata, trascrizionalmente inattiva e

● si presenta in forma simile a quella osservata durante la mitosi. Costituisce circa il

10% della cromatina interfasica.

Eterocromatina costitutiva: contiene sequenze ripetitive prive di geni (es. centromeri,

telomeri), è sempre condensata. Facoltativa: può contenere geni che vengono attivati o

silenziati a seconda del tipo cellulare o dello stadio di sviluppo. Un esempio tipico è

l’inattivazione del cromosoma X nelle femmine (corpo di Barr) o il silenziamento di geni

specifici nelle cellule staminali che si differenziano.

Regolazione epigenetica della cromatina: Il compattamento del DNA può essere

modulato dinamicamente da numerosi meccanismi epigenetici, ovvero modificazioni che

non alterano la sequenza del DNA ma ne influenzano l’espressione.

Metilazione del DNA: Consiste nell’aggiunta di un gruppo metile (CH₃) alle citosine

presenti nei dinucleotidi CpG (citosina seguita da guanina). La metilazione è associata a

silenziamento genico, poiché richiama enzimi come le istone deacetilasi, che rendono la

cromatina più compatta.

Modificazioni degli istoni: Le modificazioni post-traduzionali (es. acetilazione,

metilazione) delle code istoniche alterano l’interazione tra istoni e DNA: Acetilazione:

neutralizza le cariche positive degli istoni, rendendo la cromatina più aperta (eucromatina,

attiva). Metilazione: può avere effetto attivante o repressivo, a seconda della posizione e del

numero di gruppi metilici aggiunti.

Ereditarietà epigenetica: Alcune di queste modificazioni epigenetiche possono essere

trasmesse alle cellule figlie, dando luogo a una “memoria cellulare”. Questo tipo di

ereditarietà epigenetica è reversibile, ma non dipende dalla sequenza del DNA stesso — da

cui il termine epigenetica (dal greco “epì”, cioè “sopra” la genetica).

Un esempio è la deacetilazione degli istoni da parte di enzimi specifici, che rimuovono i

gruppi acetile e ripristinano il legame stretto tra DNA e istoni, chiudendo così la cromatina.

Altri meccanismi di compattamento: Un ulteriore livello di regolazione strutturale

della cromatina è rappresentato dalla rimozione dell’istone H1, che impedisce la formazione

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del solenoide. La sua assenza può rendere la cromatina più aperta e favorire l’espressione

genica.

La compattazione del DNA non è solo un’esigenza strutturale, ma rappresenta un

meccanismo sofisticato di regolazione genica. La dinamica tra eucromatina ed

eterocromatina, insieme alle modificazioni epigenetiche, permette alle cellule di regolare con

precisione quali geni devono essere attivi o inattivi, in base alla funzione, al tipo cellulare e al

momento del ciclo vitale.

Condensine: Proteine dimeriche che favoriscono il compattamento del DNA. Esse lavorano

sui grossi ripiegamenti della cromatina, si legano al DNA e grazie all’ATP avvolgono il DNA.

L’eucromatina e l’eterocromatna, la metilazione del DNA

La metilazione del DNA è un modo per compattare la cromatina, sia nelle regioni geniche,

spegnendo quindi l’espressione sia in regioni extrageniche. La metilazione del DNA richiama

proteine del compattamento del DNA ad esempio istoni deacetilasi. Il gruppo metilico di

solito si lega alle cisterne del DNA. Pagina 58

Il rimodellamento della cromatina. Le modificazioni post-tradizionali degli

istoni e l’epigenetica

Alcuni tipi dis truttura della cromatina possono essere ereditati, e quindi trasmessi

direttamente da una cellula ai suoi discendenti. Poiché ne deriva una memoria cellulare che

non è basta su una modifica ereditaria della sequenza del DNA, questo da luogo a una forma

di ereditarietà epigenetica dove per epigenetica si intende che è sovrapposta all’ereditarietà

genetica basata sul DNA.

Gli istoni del core (H2A, H2B, H3 e H4) hanno domini histone fold che interagiscono con gli

istoni e il DNA del nucleosoma. Le code N-terminali degli istoni del core sono modificate

attraverso l’aggiunta di gruppi acetilici alle catene laterali di specifici residui di lisina. Gli

attivatori e repressori trascrizionali sono associati con coattivatori e corepressori che

possiedono attività istonica acetiltransferasi (HAT) e iston-deacetilasica, rispettivamente.

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Le sequenze geniche sono divise in sequenze uniche ovvero copie singole per corredo aploide

e costituiscono circa il 50% dei geni totali e sequenze mediamente ripetute ovvero sequenze

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che ti ripetono da poche decine fino a 10 - 10 volte.

Famiglie geniche sono costituite da sequenze di DNA simili tra loro e localizzate in punti del

genoma. Esempio gruppo di geni che codifica per catene polipeptidiche che entrano nella

composizione di proteine che trasportano l’ossigeno: la alfa-globina e la beta-globina.

Inoltre, membri distinti di una famiglia di geni possono essere trascritti in tessuti diversi o a

stadi diversi dello sviluppo. Le subunità della alfa e della beta dell’emoglobina sono

entrambe codificate da famiglie di geni nel genoma umano, e membri diversi di questa

famiglia sono espressi nei tessuti embrionali, fetali e adulti. Si pensa che le famiglie di geni si

siano originate per duplicazione di un gene ancestrale originale e che i diversi membri della

famiglia si siano diversificati come conseguenza di mutazioni durante l’evoluzione.

Un esempio di sequenze mediamente ripetute sono le famiglie geniche come le globine che

codificano per geni per proteine istoniche e ubiquitina. Pagina 60

Pseudogeni: Sono almeno 15 mila nel genoma umano. Sono copie non funzionali di un gene,

avvenute per duplicazione, che hanno accumulato nel tempo molte mutazioni (soprattutto

nel promotore genico come ad esempio la metilazione) e hanno perso la capacità di

esprimersi.

Il resto del genoma umano, ovvero il 56%, è costituito da DNA extragenico, di cui il 7% è

composto da sequenze ripetute in tandem, il 3% da sequenze uniche non geniche e il 46% da

sequenze ripetute disperse. Le sequenze ripetute in tandem si suddividono in satellite, ossia

unità di 5-200 paia di basi che formano segmenti lunghi fino a qualche centinaio di

chilobasi; i minisatelliti, costituiti da unità di 4-5 paia di basi, che formano segmenti lunghi

fino a 25 chilobasi; e i microsatelliti, formati da unità di meno di 4 paia di basi, che formano

segmenti lunghi fino a 150 paia di basi.

Telomero: È la parte terminale dei cromosomi e non un “gene”. I

telomeri sono costituiti da sequenze ripetute di DNA (come il motivo

GGGTTA) in tandem, e si trovano in regioni non codificanti del

cromosoma. La lunghezza dei telomeri varia con l’età, e la loro

funzione principale è quella di proteggere i cromosomi dalla perdita

di sequenze essenziali durante la replicazione cellulare.

Centromero: Il centromero è la regione di un cromosoma che

collega le due cromatidi sorelle durante la mit