Epigenetica

MODIFICAZIONI ISTONICHE

istoni proteine

Gli sono con una struttura estremamente conservata e un ripiegamento speci co, che si associano tra

nucleosomi.

loro a formare i

ottameri 147 bp,

Essi sono di istoni attorno ai quali il DNA si avvolge per circa lasciando poi un piccolo segmento di

DNA linker 80bp.

libero tra un nucleosoma e l’altro approssimativamente di

nucleosoma base lassa della cromatina,

Il è la struttura di e più che è stata determinata con saggi di accessibilità,

che si basano sul sistema con cui le cellule sono dalla partenza programmate per morire: l’apoptosi, che si esprime

attraverso una cascata di eventi no alla degradazione degli inibitori delle nucleasi cellulari, che sono così libere di

attuare la loro attività litica sul genoma e di degradare il DNA. La degradazione avviene in corrispondenza dei segmenti

di DNA linker, che rispetto al resto del DNA avvolto attorno agli istoni sono più accessibili e meno ingombrati

stericamente, per cui l’attività enzimatica può espletarsi. bande discrete 150bp multipli,

Da un’analisi elettroforetica ciò che si ottiene sono una serie di formate da e che sono

dell’apoptosi.

appunto una traccia caratteristica

Saggio di ipersensibilità alla DNasi

Kornberg non era a conoscenza di questi fattori, ma eseguì alcuni esperimenti sul gene della -globina: dapprima ha

puri cato i nuclei dal resto della cellula, prima usando un bu er e un detergente per ledere la membrana plasmatica, e

poi centrifugando per estrarre i nuclei pesanti. Essi sono resi parzialmente permeabili al passaggio di nucleasi, nello

nucleasi micrococcale… digestione controllata

speci co DNasi1, Eseguendo una Kornberg potè osservare questo

150bp,

pattern speci co di segmenti da che non si trova nella degradazione di DNA plasmidico, oppure se il DNA viene

prima estratto e separato dal resto del contesto proteico. Doveva chiaramente essere presente una struttura che in

più compatte meno

qualche modo lo proteggeva. Arrivò allora ad ipotizzare la struttura cromatinica, con le zone

degradate meno accessibili,

in quanto che corrispondono anche a geni meno espressi, e viceversa per quelli

trascrizionalmente attivi.

La presenza degli istoni a formare i nucleosomi e la loro interazione con il DNA è molto forte e fondamentale nella

struttura al punto che si riassociano da soli senza bisogno di particolari condizioni in soluzione.

H3 e H4, H2A e H2B, H1

A formare i nucleosomi sono 4 tipi di istoni: ed anche che unisce il lamento di DNA linker

bloccando l’intero complesso. Mentre H1 di erisce leggermente, i 4 elementi dell’ottamero istonico sono estremamente

conservati

simili e tra loro: in particolare c’è una zona di 3 domini di folding che è uguale a livello di omologia in tutti e 4

gli istoni di un organismo, ed è anche mantenuta tra diverse specie. La sequenza del DNA può variare leggermente, ma

l’insieme degli amminoacidi rimane lo stesso e soprattutto il ripiegamento che la proteina assume. Questo deriva da

una pressione selettiva per mantenere organizzazione e stabilità nel genoma.

STRUTTURA DEGLI ISTONI

A parte i tre domini conservati, essi presentano alcune di erenze alle estremità N e C terminali, e sono generalmente

ricchi amminoacidi positiva,

molto di acidi con carica come lisine e arginine, che garantiscono un’ottimale interazione

elettrostatica con il DNA.

N terminale poco ripiegata

L’estremità è estremamente importante nella determinazione dell’intensità di questa

modi cazioni post-traduzionali;

interazione, e per questo su di essa possono avvenire numerosissime alcune

avvengono anche nell’estremità C-terminale, che tuttavia risulta meno caratterizzata e meno rilevante.

eterodimeri:

Gli istoni tendono a formare H3 con H4 e H2A con H2B, che interagiscono grazie ad elementi di

elica-ansa-elica.

ripiegamento del tipo Gli eterodimeri insieme portano alla formazione del nucleosoma, sempre con

handshake:

una serie di interazioni molto speci che di tipo i due eterodimeri di H3-H4 si uniscono a livello degli H3,

formando un tetramero, e quindi gli eterodimeri H2A-H2B possono unirsi ma sempre con H2B che prende contatto con

H4. Lo stato della struttura è sempre esattamente questo e forma un insieme cilindrico che ha una simmetria diade,

ossia può essere diviso esattamente a metà tra i due H3 generando due unità speculari.

Perché è così rilevante la speci cità di questa organizzazione?

istoni espongono l’esterno

Per il modo in cui si dispongono, i domini dei singoli verso i loro

amminoacidi positiva

con carica (qui parliamo di elementi ripiegati nelle proteine, non ancora delle

super cie attrattiva

code N-terminali) formando una per il legame del DNA; le interazioni sono

elettrostatiche e non covalenti perchè servono legami deboli che permettono alla struttura

dinamica. 12

cromatinica di essere In particolare vi sono punti di contatto dati dalle arginine degli

solco minore

istoni, che si posizionano in corrispondenza del del DNA (interagiscono con 12 dei 14

solchi minori). Mentre le coppie di eterodimeri H2A e H2B forniscono una super cie orizzontale, H3

e H4 ne danno una obliqua, guidando così esattamente il primo avvolgimento, salita e secondo avvolgimento: la

super cie è ordinata per formare il contatto elettrostatico e solo questa struttura organizzata permette la formazione del

nucleosoma. L’estrema precisione spiega anche perché il nucleosoma è formato da esattamente 147bp. 11

fi fi fi fi fi fi fi fi ff ff ff fi fi fi

fi

acidic patch,

Nella zona più interna dell’ottamero istonico si forma una zona nota come strutturata da H2A e H2B e in

negativa;

cui si trovano alcuni amminoacidi con carica si tratta di una zona accessibile ad alcune proteine con cui

interagire,

l’ottamero può determinando dei cambiamenti nella struttura e quindi nella funzionalità dei geni.

citoplasma, nucleo

Gli istoni essendo proteine vengono prodotti nel e devono essere portati e posizionati nel a formare

la cromatina secondo una certa gerarchia ed ordine; a questo scopo esistono delle proteine speci che note come

chaperonine. Alcune modi che post- traduzionali della coda N-terminale sono coinvolte in questo processo di

localizzazione ed avvengono quindi prima del posizionamento degli istoni.

duplicazione sintesi istoni

La del DNA va di pari passo con la di nuovi (H2A, H2B, H3 e H4).

Gli istoni di cui abbiamo trattato sono solamente quelli replication dependent; il processo avviene in contemporanea,

chaperonina PCNA

con una che li trasporta e interagisce con il (fattore di progressività per la DNA polimerasi) a livello

forca replicativa.

della Gli istoni scalzati durante la replicazione si mischiano a quelli nuovi e riformano la struttura.

Una “rest cell” che non replica più avrà i geni corrispondenti inattivi.

varianti istoniche

Esistono anche delle che non sono replication dependent, bensì vengono espresse quando c’è

necessità per le varie funzioni che esse ricoprono; innanzitutto tra questi c’è H1, ma anche altri elementi:

H2AX stress genotossico

– è espresso da un gene a sé in condizioni di ed incorporato nel

★ sito in cui è presente un danno di delezione, alterazione chimica, o anche single strand o

segnala necessità

double strand break. Esso rappresenta quindi un marcatore che la di

riparazione del DNA e recluta i sistemi di vario tipo necessario; in particolare ciò avviene

fosforilazione

anche grazie alla su un residuo di Serina, che si lega alla coesina,

stabilizzando il punto di rottura.

Questa variante distonica è fosforilata su una seria dalla ATR chinasi. Ciò causa una modi ca

nello stato della cromatina e facilita la riparazione del DNA.

H2AZ – ha una discreta divergenza rispetto alla sua controparte replication dependent, e gli sono state attribuite

★ abbondante cellule che non si replicano più,

diverse funzioni. È soprattutto in è inversamente proporzionale alla

metilazione e si concentra in nucleosomi vicini a siti privi di nucleosomi e quindi attivi transcrizionalmente o che

mantenimento memoria epigenetica.

sono pronti per essere attivati. Potrebbe essere coinvolto nel della

H3.3 zone attivamente trascritte riconoscimento

– esso si localizza nelle ed è un segnale di per gli enzimi

★ responsabili della modi ca di istoni in locus attivi, ad esempio i complessi di rimodellamento o gli enzimi writers per

modi cazioni della coda N-terminale.

CenH3 centromeri

– caratterizza i ed è molto diverso dalla sua controparte, probabilmente a causa di una

★ macchinari mitotici;

pressione selettiva per far sì che interagisca solo con certi si suppone sia coinvolto anche nel

segregazione.

riconoscimento dei cromosomi paterni e ha un ruolo insostituibile durante la Contribuiscono

all’eterocromatinizzazione e alla stabilità del genoma.

Oncoistoni = mutazioni istoniche correlate al cancro. CODICE ISTONICO

Le modi cazioni combinate insieme generano messaggi dal punto di vista funzionale:

È molto complesso, formato da tantissime modi cazioni che si combinano in maniere diverse. Aggiungono tantissime

funzionalità alla cromatina. Sono 30 anni che viene studiato. È estremamente più complesso del codice genetico.

strutturale.

Le modi cazioni istoniche sono da intendere in un’accezione Più/ meno compatta/rilassata/libera.

MODIFICAZIONE POST-TRADUZIONALI DEGLI ISTONI

code N-terminali

Le che sporgono sono composte da qualche decina di aa che possono essere modi cati post-

traduzionalmente; si tratta di reazioni chimiche catalizzate da enzimi speci ci. Molti di questi aa sono LISINE, ma anche

arginine, serine, treonine e le modi cazioni sono molteplici. Il 25% degli istoni protrude all’esterno e le porzioni che

sporgono non prendono parte all’interazione con il DNA a contatto con l’ottamero (non per questo non hanno interazioni

con il DNA). cambiare l’intensità

Quegli amminoacidi sono tutti disponibili a modi cazioni post-traduzionali che vanno a

dell’interazione tra istone e DNA e quindi il compattamento della struttura. Di base gli amminoacidi positivi lisina e

arginina garantiscono un legame piuttosto stretto, e sono presenti nel corpo del core istonico piuttosto che solo nella

coda. In ogni caso le modi cazioni della coda istonica aiutano o intralciano l’avvolgimento del DNA e quindi la

compattazione cromatina, writers erasers

della e sono catalizzate da enzimi ed bidirezionali: si tratta di modi cazioni

reversibili, che vanno a guidare la funzionalità della cromatina e possono essere sia eseguite dopo il posizionamen