DNA, RNA e cromosomi

L'RNA

Esistono due acidi nucleici fondamentali: il DNA e l'RNA. Esistono diversi tipi di RNA ma la caratteristica principale è quella di avere un solo filamento anziché due come nel DNA. Entra in gioco in una fase intermedia tra il polipeptide e il DNA, e si genera dalla trascrizione del DNA in RNA (riferimento al dogma fondamentale della biologia). Le prime forme di vita sul pianeta sono state dei virus a RNA proprio per semplicità della molecola che lo contraddistingue.

Tre sono i principali tipi di RNA:

• RNA transfer (tRNA): è il più piccolo dei tre. È una molecola che ha una struttura a trifoglio e presenta 4 zone dove l'RNA è a doppio filamento, sono piccole zone dove l'RNA crea legami con legami complementari per permettere la stabilizzazione della molecola. Presenta dei siti di lavoro, dei domini, uno al 3' dove lega un aminoacido e l'altro è dell'anticodone. Si tratta dell'RNA che ha il

compito di trasportare gli amminoacidi nella sintesi delle proteine. - RNA ribosomiale (rRNA): è una molecola molto complessa, presenta più tipi di RNA ribosomiali, diverse regioni a doppio filamento ed è la tipologia più abbondante di RNA presente nella cellula. Questi rRNA sono diversi tra procarioti ed eucarioti. Si combinano tra loro per formare i ribosomi, organuli non rivestiti da membrana che occupano la sintesi proteica e costituiti da 2 subunità, una maggiore e una minore; essi si trovano nel citoplasma, l'ambiente cellulare. La funzione dell'rRNA è quella di fornire, durante la sintesi proteica, un meccanismo per la decodifica (traduzione) dell'mRNA in sequenze di amminoacidi (codoni) garantendo l'interazione dell'mRNA con il tRNA (al centro della subunità minore del ribosoma) e provvedendo all'attività della peptidiltransferasi (nella subunità maggiore del ribosoma). L'esattezza dellatraduzione è dovuta al lavoro coordinato di entrambe le subunità.

RNA messaggero (mRNA): è un RNA che ha un solo singolo filamento e porta il messaggio, porta scritta la codifica della proteina che deve essere prodotta, l'informazione per la sintesi di una proteina specifica. Può essere costituito da migliaia di nucleotidi se una proteina è grande, mentre da un centinaio di nucleotidi se la proteina è piccola.

Il polisoma o poliribosoma è un filamento di mRNA percorso da più ribosomi per la sintesi contemporanea di più copie della proteina.

Ogni cellula comprende circa 2 metri di DNA, 3 miliardi di nucleotidi, nel corpo umano adulto una lunghezza complessiva di 130 miliardi di chilometri…ma come fanno ad esserci contenuti? Esiste una "strategia" di impacchettamento strutturata in cromosomi. Questa strategia avviene grazie all'interazione del DNA con le proteine che fanno sì che il DNA venga

strutturato in un qualcosa di ordinato e organizzato secondo livelli gerarchici, cioè una serie di ripiegamenti che lo condensano. 1:800 è il rapporto di polverizzazione delle proteine istoniche più le proteine non istoniche. Riusciamo a condensare secondo una serie di livelli gerarchici successive grazie all'interazione con proteine diverse, istoniche e non istoniche.

Proteine istoniche: sono presenti negli eucarioti, assenti nei procarioti ma presenti nel dominio degli Archaea (archeobatteri), e sono proteine basiche (con pH>7), infatti devono interagire con un acido desossiribonucleico. Sono proteine molto conservate durante l'evoluzione. Negli eucarioti ci sono 4 proteine istoniche principali--> H2A, H2B, H3, H4. H3 è la più pesante, H4 la più leggera. Esse interagiscono con il DNA e formano un nucleosoma. Gli istoni sintetizzati contemporaneamente al DNA vanno a formare l'ottetto istonico.

Altri due istoni sono chiamati H2 e H5,

Soprannominati istoni linker (cromatina di livello superiore). H5= blocca l'ottetto istonico e fa sì che non si srotoli; H1= il suo ruolo consiste nel favorire la condensazione dei nucleosomi in fibre da 30nm, infatti interagisce con il DNA linker costringendo il DNA ad una maggiore adesione all'ottamero istonico.

Un nucleosoma è formato da un ottamero istonico (8 proteine) e cioè due copie di H2A, due copie di H2B, due copie di H3, due di H4 + 147 copie di basi. È quindi formato da istoni sintetizzati contemporaneamente al DNA immediatamente assemblati.

Grado di acetilazione degli istoni: le code istoniche sono ricche di lisina e arginina che sporgono dal nucleo istonico tenendo legato il DNA con legami elettrostatici. Il grado di acetilazione degli istoni regola l'espressione genica decondensando la cromatina. Gli istoni acetilati hanno un'affinità ridotta per il DNA, quindi la cromatina sarà più aperta.

Proteine non istoniche:

sono una maggiore attività trascrizionale del DNA. È caratterizzata da una struttura più aperta e accessibile. - Eterocromatina: è più condensata e corrisponde alle zone in cui vi è una minore attività trascrizionale del DNA. È caratterizzata da una struttura più chiusa e meno accessibile. Gli enzimi sono proteine che catalizzano le reazioni chimiche all'interno della cellula. Svolgono un ruolo fondamentale nel metabolismo cellulare. Le proteine architettoniche della cromatina sono coinvolte nella struttura tridimensionale della cromatina e nella regolazione dell'accesso al DNA. Le proteine del mantenimento strutturale dei cromosomi sono responsabili della stabilità e dell'integrità dei cromosomi durante la divisione cellulare. I fattori generali di trascrizione sono proteine che si legano al DNA e sono coinvolte nell'inizio della trascrizione del DNA in RNA. Le proteine che regolano la trascrizione sono coinvolte nella regolazione dell'espressione genica, controllando quando e quanto un gene viene trascritto in RNA. La cromatina è la sostanza che forma il nucleo cellulare degli organismi eucarioti durante la fase funzionale della cellula (interfase). È costituita da DNA associato a proteine basiche dette istoni, proteine acide ed RNA. Quando la cellula non si sta dividendo, la cromatina è diffusa in tutto il nucleo. Nelle cellule che si stanno dividendo invece, la cromatina diventa molto condensata, tanto che i singoli cromosomi diventano visibili. La cromatina può essere divisa in due tipi: - Eucromatina: è meno condensata e corrisponde alle zone in cui vi è una maggiore attività trascrizionale del DNA. È caratterizzata da una struttura più aperta e accessibile. - Eterocromatina: è più condensata e corrisponde alle zone in cui vi è una minore attività trascrizionale del DNA. È caratterizzata da una struttura più chiusa e meno accessibile.

è un'intensa attività di trascrizione per la sintesi proteica, difatti contiene il DNA che viene trascritto in mRNA. È lassa, despiralizzata e il DNA è trascrizionalmente attivo;

-Eterocromatina: è più compatta, condensata, appare come dense zolle spesso aderenti alla membrana interna dell'involucro nucleare. È parte costitutiva dei cromosomi (ne forma in particolare il centromero ei telomeri) ed è costituita perlopiù da tratti di genoma non codificante. Il suo alto grado di condensazione impedisce ad ogni gene eucromatico in essa presente di essere trascritto, per cui è considerabile come "spento" o "silenziato". L'eterocromatina viene distinta in due tipi:

-costitutiva: che rimane tale durante tutto lo sviluppo, ed è presente in posizione identica su entrambi i cromosomi omologhi di un paio e non può mai trasformarsi in eucromatina;

-facoltativa: inattivate in modo specifico a

seconda della tipologia cellulare o dellafase del ciclo cellulare. Infatti essa varia di condizione (rilassata edespressa/condensata e inattiva) a seconda dei diversi tipi cellulari (es: inattivazionecromosoma X per la formazione del corpo di Barr) e delle diverse fasi dello sviluppo.

Cromosoma mitotico: è solo il cromosoma visibile in una fase della mitosi durante ladivisione cellulare dove la struttura cromatinica si addensa in strutture bastoncellari(proteine + DNA) e va a creare i cromosomi. Ogni molecola di DNA è stivata in uncromosoma mitotico ed è 10.000 volte più corto di quando è disteso.

Rapporto di impacchettamento del DNA:

1. il DNA si avvolge attorno agli istoni, formando un ampio numero di nucleosomi,che si dispongono come le "perle" di una collana (rapporto 10:1);
2. i nucleosomi si impacchettano avvolgendosi più volte, producendo una fibrasuper avvolta di cromatina (rapporto 50:1);
3. le fibre si ripiegano a formare anse

attaccate all'impalcatura proteica (rapporto 250:1); 4. le anse si condensano ulteriormente nel nucleo interfasico, formando cromatina (rapporto 5000:1); 5. durante la mitosi le anse si avvolgono ulteriormente a formare un cromosoma condensato. Cromosoma metafasico: consiste in 2 filamenti paralleli di cromatina condensata, chiamati cromatidi e che sono uniti a livello del centromero. Il centromero può essere posizionato in 4 punti differenti del cromosoma e a seconda della posizione, hanno nomi diversi: - metacentrici: centrometro in posizione mediana; - submetacentrici: centrometro in posizione submedia; - acrocentrici: centrometro in posizione subterminale; - telocentrici: centrometro in posizione terminale. Cinetocore: ad ogni centromero sono associati 2 cinetocori, uno per ogni cromatidio, coinvolti nella divisione cellulare. Sono costituiti da diversi tipi di proteine, partecipano all'adesione fra cromatidi fratelli e sono il sito di attacco per microtubuli del fuso. Inoltre vi

è l'arresto della divisione cellulare in caso di attacco incompleto. La distribuzione dei cromosomi del nucleo non è casuale, bensì è suddivisa secondo una logica ben precisa. Nel cromosoma nell'uomo sono presenti 23 paia di cromosomi, 3 miliardi di basi. 22 coppie di autosomi e 2 coppie di cromosomi sessuali o eterocromosomi che possono essere o XX (femminile), o XY (maschile). Il corredo cromosomico si indica con 46XX o 46XY. Il corredo cromosomico che ci caratterizza è diploide (2n) n=numero aploide o n di cromosomi aploide. Il numero 2 perché un gamete maschile e uno femminile. Ogni cellula presenta corredo diploide tranne i gameti che sono n. Il numero di morfologia dei cromosomi rappresenta il cariotipo.

Cariotipo con anomalie cromosomiche:

Il cariotipo può essere euploide (46 cromosomi XX o XY) o aneuploide (con anomalie). Quest'ultimo può esserci a seguito di alcuni errori nella mitosi o nella meiosi, come nella meiosi I

una coppia di omologhi può non separarsi o nella meiosi II due cromatidi possono non separarsi; questi sono esempi di non disgiunzione. L'aneuploidia è una condizione in cui uno o più cromosomi sono mancanti o presenti in eccesso. Se avviene una disgiunzione durante la meiosi questa può produrre una progenie con un cromosoma in più o in meno. Una causa può essere la disaggregazione delle coesine che tengono insieme i cromatidi fratelli e le tetradi durante la profase. Se le coesine si disaggregano al momento sbagliato, entrambi gli omologhi possono migrare verso lo stesso polo invece di essere disposti uno verso un polo e l'altro verso quello opposto. L'aneuploidia che deriva dalla non disgiunzione durante la meiosi è spesso letale per la progenie che la porta. Un esempio in cui la progenie invece sopravvive è la trisomia 21, altresì conosciuta come sindrome di Down. Se un uovo con due di questi cromosomi si feconda con uno spermatozoo normale, la progenie avrà tre copie del cromosoma 21 invece delle due normali.