Appunti esame Controllo epigenetico dell'espressione genica (CEEG)

Il circuito di feedback tra l'architettura del genoma e il controllo epigenetico dell'espressione genica

C'è un circuito di feedback tra l'architettura del genoma e il controllo epigenetico dell'espressione genica. Le modifiche nell'architettura del genoma si riflettono sul controllo epigenetico dell'espressione genica, ma è vero anche il contrario, cioè che l'espressione genica può modificare l'architettura del genoma. Per "architettura del genoma" intendiamo i livelli di strutturazione del materiale genetico. Esistono diversi livelli di strutturazione del materiale genetico: nucleosoma, fibra da 10 nm, fibra da 30 nm, organizzazione ad anse e così via fino al cromosoma metafasico. Le modifiche epigenetiche sono cambiamenti, a carattere prevalentemente regolativo, del materiale genetico non immediatamente riconducibili a variazioni di struttura primaria del DNA (sequenza nucleotidica) e in grado di attraversare la barriera mitotica (e meioitica). Il genoma non è un lungo filo in cui si trovano promotori,

Esoni, introni ecc. Infatti, l'effetto dell'architettura del genoma è quello di portare in prossimità spaziale regioni che devono interagire tra loro. Il DNA quindi si ripiega. Le morfologie di queste strutture architettoniche sono altamente conservate. Basti pensare alla forma del cromosoma. Ad esempio, la forma del cromosoma 21 è sempre la stessa e le variazioni di forma del cromosoma 21 riflettono difetti funzionali e comportano patologie gravi. C'è quindi una stretta relazione tra la forma (e quindi la struttura) e la funzione.

C'è una "sproporzione" apparente tra la taglia del genoma e le dimensioni del compartimento che ospita il genoma. Ad esempio, nell'uomo il genoma è lungo circa 2 m e deve essere racchiuso nel nucleo di pochi micron (120 km di capello in una palla da basket). Come si determina la dimensione del genoma? Si parte dalla massa di DNA all'interno di un singolo nucleo. Dopodiché,

tenendo conto di alcuni dati e utilizzando il numero di Avogadro, si può fare una proporzione. Possiamo quindi stabilire le dimensioni in bp.

Il DNA deve funzionare in maniera riproducibile. È necessario quindi mantenere l'integrità e l'architettura del genoma in cicli cellulari successivi, mantenere la segregazione ordinata dei genomi figli alla divisione cellulare, conservare l'organizzazione repliconica del DNA e mantenere l'espressione genica settorializzata. C'è quindi necessità di una strutturazione ordinata del materiale genetico.

Esiste una gerarchia dei livelli di strutturazione del genoma: DNA nudo, DNA associato a nucleosomi a formare la fibra da 10 nm (il DNA si compatta di 6-7 volte rispetto al DNA nudo), fibra da 30 nm (il DNA si compatta di 40-50 volte rispetto al DNA nudo), organizzazione ad anse, topologically associated domains, cromosoma metafasico.

Queste condizioni sono riproducibili. All'interno dello

spazio nucleare i cromosomioccupano ognuno un territorio preciso. Si parla infatti di territori cromosomici. Icromosomi hanno poi una polarizzazione e sono orientati in un certo modo rispetto adaltri distretti della cellula o dell’organismo. Inoltre, anche la posizione del nucleo non ècasuale. Si pensa che questo ordine sia rilevante per favorire la ripartizione polarizzatadei prodotti di trascrizione.

Il DNA non è nudo ma è associato agli istoni a formare la cromatina. Gli istoni sonoconservati. Hanno un core formato da 3 separate da piccole regioni ad ansa. Leα-elicheestremità (N-terminale e C-terminale) degli istoni protrudono dal core. Le code sono inquesto modo disposte in maniera ideale per essere modificate post-traduzionalmente. Ilnucleosoma è l’unità di base della cromatina ed è formato da un ottamero istonico (untetramero H3-H4 e 2 dimeri H2A-H2B) attorno al quale si avvolge il DNA. Gli istoni sonopiccole.

proteine basiche e questo facilita l'interazione con il DNA. Ogni nucleosoma interagisce con circa 180 bp (NRL, nucleosome repeat length). Questa quantità può essere calibrata attraverso digestione aspecifica con DNasi. La digestione può essere blanda, spinta o super-spinta. In caso di digestione super-spinta otteniamo un ottamero associato a 146 bp. La doppia elica si avvolge per 1,7-1,8 giri intorno al nucleosoma. L'avvolgimento è sinistrorso. Il DNA è quindi sottoposto a uno stress notevole perché deve piegarsi intorno al corpo stesso del nucleosoma. Il nucleosoma è un disco di 11 nm di diametro e 6 nm di spessore. Il DNA entra ed esce dal nucleosoma. I rapporti tra i vari istoni all'interno del nucleosoma non sono casuali. Ci sono anche delle leggere variazioni conformazionali. Le modifiche istoniche sono: acetilazione (lisine), metilazione (lisine e arginina), sumoilazione, fosforilazione, ubiquitinazione e molte altre.

realtà transizioni di fase. La cromatina passa infatti da uno stato più solubile a uno stato sempre meno solubile. Questi fenomeni di transizione dipendono dalla natura del microambiente molecolare circostante. Quindi, la fibra da 10 nm si avvolge ad elica formando il solenoide ossia una super-elica con 6 nucleosomi per giro. Questo avviene in funzione di H1 e in funzione della forza ionica. Questo modello era valido fino al 2005. Successivamente le nuove tecniche hanno permesso di cristallizzare in vitro tetranucleosomi. In queste strutture si ritrovava il modello a zig-zag della fibra da 30 nm: la collana di perle si avvolge seguendo un percorso a zig-zag e non forma un solenoide. Nel solenoide i nucleosomi immediatamente adiacenti sono quelli che si succedono mentre nel modello a zig-zag i nucleosomi adiacenti non sono quelli adiacenti nella struttura. Nel modello a zig-zag la compattezza è maggiore rispetto al solenoide. Molto probabilmente queste forme esistono anche in vivo.

Infatti, ulteriori evidenze in vivo premiano entrambi i modelli. Numerose evidenze sperimentali indicano che la lunghezza di DNA complessivamente impegnata in un nucleosoma (NRL) varia significativamente. In vivo la NRL spazia da 165bp a 212 bp. In particolare, nella maggior parte della cromatina il valore di NRL si attesta a 188 o 196 bp. Si tratta, in genere, di materiale trascrizionalmente inerte e notevolmente arricchito in istone H1. Una frazione minore di cromatina mostra invece NRL pari a 167bp. Si tratta di materiale attivo dal punto di vista trascrizionale e povero di H1. Le fibre possono essere distese artificialmente e la forza che serve per denaturare completamente le fibre può essere misurata. Sottoponendo una fibra di cromatina da 30 nm a distensione con forza progressivamente crescente ci si attende, sulla base della costituzione strutturale dei 2 modelli, che una struttura a solenoide possa essere distesa più facilmente (forza minore) di una struttura a zig-zag.

La cromatina con NRL 197 bp (il tipopiù frequente, trascrizionalmente inattivo e associato con H1) viene distesa da una forzaminore rispetto alla cromatina con NRL 167 bp (il tipo meno frequente,trascrizionalmente attivo, privo di H1). Seguendo l'assunto sperimentale si può quindiipotizzare che la strutturazione a solenoide sia quella più diffusa, associata con la"cromatina inerte" (e con la presenza di istoni linker), mentre l'organizzazione a zig-zagsarebbe quella meno frequente, della "cromatina attiva". Questo è quello che si può diredei 2 modelli in vivo. Nel 2010-2012 sono comparsi studi che hanno messo in dubbiol'esistenza stessa della fibra da 30 nm. È stato infatti proposto il modello del "packagingfrattale" secondo cui la fibra da 10 nm si organizza in regioni di compattamento e laripetizione di questo schema di compattamento porta a un livello di compattamento viavia superiore.