Citogenetica

SIMULAZIONI AL COMPUTER

Sono stati sviluppati molti modelli e ce ne sono altri in fase di sviluppo.

Vengono prese poche assunzioni di base su quelli che sono i ripiegamenti della

cromatina, per poi simulare il territorio cromosomico.

Con queste poche assunzioni di base è possibile ottenere la simulazione dei territori.

Le simulazioni al computer hanno una grande importanza perché ci consentono di

traslare i ripiegamenti della cromatina in immagini virtuali in quanto è molto difficile

capire cosa succede all’interno della cromatina compattata o il cromosoma.

La simulazione al computer mi consente di fare delle sezioni delle immagini virtuali e

quindi cercare di capire che cosa succede all’interno.

Quindi posso comparare le immagini sperimentali con le immagini virtuali ed operare

anche delle ricostruzioni tridimensionali.

Inoltre le simulazioni al computer mi consentono di capire i limiti della microscopia

ottica che possono portare a delle errate interpretazioni.

Il primo modello molto semplice è il modello MLS (Multi Loop Subcompartiment).

Questo modello prevede che siano domini da 1 Mbp che siano formati da rosette di

loops da 100 Kb connesse da cromatina linker.

Con queste poche assunzioni è stato possibile simulare i 46 cromosomi umani.

Vediamo una sezione virtuale attraverso la simulazione del territorio del cromosoma

15 che mostra due compartimenti, le bande rosse e le bande verdi che rappresentano

bande povere di geni e bande ricche di geni.

Questo tipo di modello rende molto bene conto di ciò che succede in vivo, e cioè

l’alternanza tra bande R e bande G.

Qui vediamo il modello MLS dove sono mostrati 3 domini cromatinici da 100 Kbp.

Il modello GL (Giant Chromatin Loops) è simile a quello precedente, ma in questo caso

i loop sono giganti che vanno dai 3 ai 5 Mb, separati tra loro da cromatina linker da 200

Kbp.

In questo modello non sono previste delle barriere energetiche.

La compattazione della cromatina è data dalla modulazione sia del loop (che può essere

più o meno grande) sia dalla cromatina linker (che può essere più o meno lungo).

Queste non sono assunzioni casuali, sappiamo che i loop possono essere più o meno

grandi in vivo e anche il linker varia la lunghezza.

Qui vediamo una sezione virtuale di un territorio simulato in accordo con il modello GL,

che mostra il mescolarsi di GLS che contribuiscono alla formazione di bande G-light

(rosse, dense di geni) e GLS che formano bande G-dark (verdi, povere di geni).

A differenza della sezione che abbiamo visto precedentemente, dove i due

compartimenti erano distinti e nettamente separati, qui vediamo che non vi è una

chiara distinzione dei due compartimenti.

Non si riesce a distinguere le bande povere di geni dalle bande ricche di geni, ma vi una

mescolanza tra le due.

Quindi questo modello non risponde così bene di ciò che in realtà sappiamo esiste.

Il modello SCD (Spherical 1 Mbp Chromatin Domain) che è molto simile al modello MLS.

È stato ottenuto un modello del nucleo umano supponendo che il nucleo sia di 10 µm

3

ed il suo volume di 500 .

µm

Ogni territorio è composto da una serie di domini cromatinici da 1 Mbp (sfere) di 500

nm di diametro.

In questo modello è assunta la presenza di forze repulsive tra territori ed è assunta

anche una barriera energetica che equivale al contenuto di DNA intorno al territorio.

Le forze repulsive servono per mantenere i due territori esclusivi e questa barriera

energetica sulla superficie del territorio serve per mantenere il territorio compatto.

In realtà queste forze esistono realmente in vivo, la cromatina ha una sua rigidità,

esistono proteine associate alla cromatina che siano le CTAPs o altro, ed esiste il

network della matrice nucleare o del dominio intercromatidico.

Il volume del dominio intercromatidico è stato calcolato sottraendo al volume sferico

del nucleo il volume che è occupato da 6350 Mbp di DNA organizzati in domini da 1

3

Mbp (500 – 500 nm) ed è rimasto un 20% del volume totale.

µm

Quindi in questo modello sembra che il dominio intercromatidico (spazio che contiene

tutti i complessi privo di cromatina) in realtà si formi in conseguenza dell’organizzazione

della cromatina.

Ciò significa che la cromatina si modella indipendentemente dall’ICD e dopo essersi

modellata, lascia lo spazio per l’ICD.

Quindi nel modello SCD in realtà il dominio intercromatidico non sembra avere un

ruolo nell’organizzare la cromatina.

Mentre prima abbiamo visto che se si vanno a distruggere CTAPs ed RNA non si hanno

più i territori cromosomici.

Quindi probabilmente l’ICD, sebbene non abbia in questo modello simulato al pc un

ruolo nell’organizzare la cromatina, sicuramente ha un ruolo nel mantenere la

struttura della cromatina una volta che questa si è organizzata.

I nuclei non hanno tutti un diametro di 10 esistono anche cellule più piccole, quindi

µm,

con un diametro di 4-5 e quindi anche con un volume più piccolo.

µm

Quindi in questo caso o la cromatina è organizzata in maniera più compatta oppure il

volume dell’ICD sarà più piccolo.

Qui vediamo il modello SCD di un nucleo di cellula umana con 46 territori cromosomici,

tutti i 46 territori (46, XY) sono visualizzati con 24 colori diversi.

Qui vediamo una sezione virtuale del nucleo in accordo con i suoi 46 territori

cromosomici secondo il modello SCD.

In A) vediamo la sezione virtuale del nucleo al microscopio elettronico.

Il cerchio verde indica 2 domini da 1 Mbp che sono ingranditi in C), D) ed E).

In C), D) ed E) vediamo in alto delle immagini virtuali al microscopio elettronico, in basso

delle immagini virtuali con la risoluzione ottica.

In B) la stessa sezione di A), ma con la risoluzione della microscopia confocale.

Vi è una grande perdita di informazione tra B ed A perché si tratta di due poteri risolutivi

differenti.

Ciò sebbene appaia un po’ scontato, va ad enfatizzare la necessità di utilizzare delle

sonde specifiche (con dei colori specifici) per riuscire a mettere in evidenza i territori

cromosomici quando sono a livello della risoluzione della microscopia confocale.

Si deve utilizzare la FISH e con più colori per avere un’immagine discreta con la

risoluzione della microscopia confocale.

In C), D) ed E) vediamo come la microscopia ottica ha un basso potere di risoluzione, si

vede appena il centro dei due domini, quindi da ciò capiamo che la microscopia ottica

possa portare a delle errate interpretazioni di quello che succede all’interno della

cellula.

Invece con il livello di risoluzione della microscopia elettronica si vedono chiaramente i

domini.

Si vede un diverso livello di compattazione dei domini: in C) vi sono domini molto

compressi, i domini da 100 Kb si trovano all’interno dei domini da 1 Mbp; in D) vi è una

media compressione dei domini da 100 Kb; in E) vi è una bassa compressione dei domini

da 100 Kb.

Questo perché il modello SCD inserisce anche delle forze per la simulazione.

Modello domini da 1 Mbp e 100 Kb: il modello dell’SCD prevede che 1 Mb sia costituita

da 10 domini da 100 Kb.

Un’altra forza prevista in questo modello è la TENSIGRITY FORCES, è una forza elastica

ed è stata presa in prestito dall’architettura e viene utilizzata per descrivere le proprietà

di una struttura a scheletro.

Questa forza prevede che in una struttura a scheletro (come può essere la cromatina vi

sono delle parti che sono in continua tensione e delle altre parti che sono in

compressione discontinua).

E questo quindi prevede che in una struttura in cui le diverse parti sono interconnesse

tra loro come può essere uno scheletro, come può essere la cromatina, uno stress

meccanico in un punto può in realtà provocare degli arrangiamenti, sebbene reversibili

in un altro punto.

Quindi questa forza applicata alla struttura intranucleare della cromatina richiede che

la struttura della cromatina abbia una sorta di rigidità.

Questa rigidità viene data alla struttura della cromatina mediante le interazioni con le

CTAPs e con le RNPs della matrice nucleare o ICD.

Ciò che è stato visto sempre alle simulazioni al computer è che se si diminuisce questa

forza, si può determinare l’apertura dei domini.

Qui vediamo l’ultrastruttura del dominio cromatinico da 1 Mbp.

Vediamo sia in A) che in B) che in C) che in D) i domini condensati chiusi, i singoli domini

da 100 Kb rappresentati con 10 colori diversi (1 Mb, 10 domini da 100 Kb).

In A), B), C) e D) la tensigrity forces è stata aumentata determinando la chiusura dei

domini.

Mentre in E) ed F) la forza è stata diminuita ed i domini si aprono.

Inoltre notiamo in D) un dominio (in giallo) più aperto rispetto agli altri, infatti è

possibile diminuire la forza solo in un dominio e determinarne l’apertura.

E il modello dei domini ad anse prevede che i domini non siano indipendenti solo dal

punto di vista strutturale, ma siano indipendenti dal punto di vista funzionale.

Ciò significa che un singolo dominio può aprirsi e trascrivere e l’altro resta chiuso.

Gli autori quindi prevedono che ci siano domini con struttura della cromatina aperta e

quelli invece chiusi.

È possibile quindi simulare al computer anche l’apertura di un singolo dominio perché

è funzionalmente indipendente dagli altri.

ALTRE FORZE FISICHE DI POTENZIALE INFLUENZA

Non costituiscono solo assunzioni per i modelli al pc, ma esistono veramente.

Queste forze rendono i territori cromosomici distinti e mutuamente esclusivi (cioè non

c’è il collasso di un cromosoma dentro l’altro) conferendogli sia il grado di flessibilità

dinamica, ma anche rigidità.

Tra i domini esistono forze attrattive e forze repulsive:

- Forza elastica a lungo raggio: tensigrity;

- Forza attrattiva a corto raggio: Van der Waals e legami idrogeno;

- Forze repulsive a corto raggio: interazioni elettrostatiche e forze di Leonard-Jones

(fisica dei solidi).

Le forze di Leonard-Jones si suppone che agiscano quando i domini si avvicinano troppo

ed impediscono durante i movimenti, di penetrare l’uno nell’altro, e quindi non

abbiamo più la loro mutua esclusività.

Le interazioni elettrostatiche vanno a mantenere la larghezza minima dell’ICD.

Sono forze repulsive che vanno a contrastare le forze attrattive che esistono tra i

domini, mantenendo l’esistenza dell’ICD e che quindi i danni si avvicinano troppo.

Il concetto di larghezza minima è una caratteristica essenziale dell’architettura

nucleare dinamica e fun