Funzioni degli acidi nucleici

Capitolo 4 - Funzioni degli acidi nucleici

La struttura della cromatina: dal DNA ai cromosomi

Il DNA è presente nel nucleo delle cellule eucariote in forma complessata con proteine nucleari chiamate specifiche, originando così la cromatina (dal greco: = colore), termine che indica che la cromatina sperimentalmente può essere colorata in modi diversi. La cromatina, dunque, è un complesso di DNA, RNA e proteine. Le proteine principali presenti nella cromatina sono gli istoni, piccole proteine basiche a struttura ottamerica, che consentono al DNA di arrotolarsi e ripiegarsi. Esistono 5 classi principali di queste proteine istoniche e cioè gli istoni H1, H2A, H2B, H3 ed H4. Gli istoni sono delle proteine basiche che presentano elevate quantità di amminoacidi basici come Lisina (Lys) o Arginina (Arg). La carica fortemente positiva (+) le rende capaci di legarsi fortemente al DNA e di neutralizzare la sua carica negativa (-) dovuta al gruppo fosfato.

Roger Kornberg nel 1974 ha scoperto che le particelle di cromatina, chiamate nucleosomi, sono formate dall'ottamero (H2A, H2B, H3, H4) in associazione con circa 200 bp di DNA (200 paia di basi di DNA, dall'inglese base pair). Quindi, l'unità di base della cromatina è il nucleosoma, struttura che ha un diametro di 11 nm; il nucleosoma è costituito da otto proteine istoniche (ottamero istonico) attorno alle quali si avvolge il DNA. In altre parole, il core nucleosomico contiene due istoni H2A, due istoni H2B, due istoni H3 e due istoni H4; essi si assemblano per formare un complesso proteico chiamato ottamero istonico.

Il filamento di DNA, avvolgendosi attorno al complesso proteico, porta alla costituzione del primo livello di organizzazione di ordine superiore, prendendo il nome di nucleosoma. Intorno ad ogni ottamero di istoni sono avvolte circa 146 coppie di basi. L’istone H1 invece, non interviene direttamente alla costituzione del nucleosoma ma si posiziona in un punto del filamento non avvolto tra due nucleosomi adiacenti. È una funzione molto importante quella svolta da H1, in assenza della quale non potrebbero avvenire i successivi impacchettamenti dei nucleosomi nelle strutture di compattazione che portano alla formazione della cromatina.

I vari nucleosomi in sequenza danno al DNA l'aspetto di una collana a filo di perle. Ed ecco l'assemblaggio dei nucleosomi: il DNA (arancio) è avvolto intorno all'ottamero istonico (viola) ed entrambi formano la particella detta nucleosoma. Questa struttura è bloccata nei mammiferi dall'istone H1 (giallo). La fibra di cromatina è ulteriormente piegata in una fibra più spessa, il cosiddetto solenoide che è di 30 nm di diametro (cioè i nucleosomi si accorpano in una fibra cromatinica da 30 nm di spessore). Il doppio giro di DNA è sigillato in pratica dall'istone H1. Tra un nucleosoma ed il successivo esiste un tratto di connessione lungo fino ad 80 nucleotidi associato all'istone H1.

Il DNA, quindi, è una molecola stabile e complessa, ma soprattutto negli eucarioti la sua lunghezza è ragguardevole (circa 2 m), per cui è vulnerabile ad eventuali alterazioni. Per tale motivo la natura preserva il DNA dandogli una struttura ripiegata (esistono infatti vari livelli di compattamento del DNA), impacchettato in strutture dette cromosomi. Il cromosoma è l'unità strutturale in cui il DNA, associato con specifiche proteine, si organizza all'interno delle cellule. Nelle cellule eucariotiche i cromosomi sono localizzati nel nucleo mentre nelle cellule procariotiche si trovano in una regione chiamata nucleoide. I cromosomi recano su di essi l'informazione genetica. Il termine "cromosoma" deriva dal greco chroma che significa "colore", e soma che significa "corpo" (corpuscolo colorato): il termine fu coniato nel 1888 dall'anatomista tedesco Waldeyer per identificare i corpuscoli, evidenziati dalla colorazione con coloranti basici, visibili nelle cellule eucariotiche durante la divisione cellulare. Il cromosoma è una struttura intracellulare a forma di bastoncello ed è composta da due braccia e un centromero. I cromosomi sono visibili soltanto durante la metafase della mitosi.

La struttura di base dei cromosomi è identica in tutti gli eucarioti. I cromosomi sono dati dall'unione di due metà identiche fra loro dette cromatidi, unite a livello di una zona centrale detta centromero. I due cromatidi che formano un cromosoma sono l'uno l'esatta copia dell'altro, perché in pratica uno proviene dalla duplicazione dell'altro e per tale motivo si dicono fratelli. Il centromero è la regione in cui il cromosoma presenta una strozzatura, il suo ruolo è centrale nella divisione cellulare (detta mitosi) perché garantisce una corretta distribuzione dei cromosomi duplicati alle cellule figlie.

• Cromatidio
• Regione centromerica (centromero)
• Braccio corto
• Braccio lungo

Nei vari cromosomi, il centromero non è localizzato sempre nella stessa posizione, esso divide infatti ogni cromatidio (subunità di cui sono costituiti i cromosomi) in 2 parti dette bracci. Per lo più i bracci sono di lunghezza diversa, talvolta invece sono uguali. Va sottolineato, inoltre, che la tipica forma ad X dei cromosomi si ottiene poiché il DNA si aggancia ad uno scheletro proteico (scaffold) che funge da àncora per il gomitolo formato dalla lunga molecola dell'acido nucleico.

Il telomero è la regione terminale del cromosoma, da cui deriva il nome stesso; sono sequenze di DNA all'estremità dei cromosomi eucarioti, fondamentali nella replicazione e nel mantenimento dei cromosomi stessi. Queste sequenze di DNA sono prodotte dall'enzima telomerasi e consentono di regolare l'attività dell'enzima DNA-polimerasi (deputato alla duplicazione del materiale genetico). Il telomero, quindi, ha un ruolo determinante nell'evitare la perdita di informazioni durante la duplicazione dei cromosomi, poiché la DNA polimerasi non è in grado di replicare il cromosoma fino alla sua estremità; se non ci fossero i telomeri la replicazione del DNA comporterebbe dopo ogni replicazione una significativa perdita di informazione genetica. Diversi studi hanno dimostrato che il progressivo accorciamento dei telomeri ad ogni ciclo replicativo sia associato all'invecchiamento cellulare (fase di senescenza). Si osservi che il numero dei cromosomi è costante in tutte le specie vegetali e animali; nella specie umana il corredo cromosomico è pari a 46 (23 provenienti dal padre e 23 dalla madre) ed è caratterizzato da 22 coppie di cromosomi somatici o autosomi (presenti in tutti gli individui; non concorre alla trasmissione dei caratteri ereditari legati al sesso) e due cromosomi sessuali: XX nella femmina e XY nel maschio. Per cariotipo si intende il corredo cromosomico di una cellula.

Livelli di organizzazione della cromatina

Ecco di seguito i differenti livelli di condensazione o di compattamento del DNA:

• DNA a doppia elica
• Cromatina: filo di DNA con istoni
• Cromatina condensata durante l'interfase
• Cromatina condensata durante la profase (sono presenti due copie di molecole di DNA)
• Cromosoma durante la metafase

Ricapitoliamo quindi e specifichiamo i vari livelli di compattamento del DNA, che sono in totale 5:

Primo livello di organizzazione

Il primo livello di organizzazione della cromatina è stato descritto da Roger Kornberg nel 1974. A svolgere questo impacchettamento ci sono gli istoni, proteine molto particolari e molto presenti nella cellula eucariote. Gli istoni, come detto, sono cinque: H1, H2A, H2B, H3 e H4 e sono fatti per la maggior parte di amminoacidi con carica positiva (lisina e arginina), per potere legare con forza non eccessiva (non è un legame covalente) il DNA. Quattro di questi istoni si raggruppano a coppie a formare un ottamero regolare cilindrico attorno al quale il DNA si avvolge con andamento sinistrorso. Otto istoni + il DNA formano un nucleosoma. Nel nucleosoma ci sono 200 bp, delle quali solo 146 si avvolgono intorno all’ottamero istonico, mentre le restanti 54 bp restano non avvolte e sono chiamate DNA di connessione (linker DNA). L'istone H1 serve a sigillare il nucleosoma nel punto in cui il DNA entra ed esce. Questa disposizione si chiama "collana a filo di perle" ed è un primo livello di condensazione. In questo primo livello di organizzazione il quoziente di compattamento = lunghezza del DNA / lunghezza dell'unità che lo contiene = 6.

Secondo livello di organizzazione

Il secondo livello di compattazione prende il nome di "solenoide". Qui entra in funzione un quinto istone, l’H1 che accorpa i nucleosomi sovrapponendoli a due a due (fibra cromatinica) o raggruppandoli in gruppi di 8 ciascuno (solenoide). In questo modo lo spessore passa da 11 nm a 30 nm circa. Queste "corde" si aggrovigliano su se stesse alla stregua del filo su un gomitolo e si accomodano perfettamente nel nucleo. Il quoziente di compattamento = 40.

Terzo livello di organizzazione

La fibra da 30 nm si può contorcere su sé formando anse e controanse, accorciandosi 10 volte. Questo livello di condensazione è chiamato cromatina distesa oppure eucromatina (dal greco "eu" = buono e "khroma" = colore). Il quoziente di compattamento = 400.

Quarto livello di organizzazione

Tuttavia, alle estremità telomeriche e nei pressi del centromero la cromatina è più condensata a prescindere dal tipo cellulare e non contiene geni o ne contiene pochissimi. Questa si forma annodando la eucromatina su se stessa molte volte e costipandola e pigiandola fino a farla diventare all’incirca di 7 mm × 700 nm. Questa forma di cromatina si chiama eterocromatina (dal greco ἕτερος (éteros) = diverso, perché si colora diversamente, più intensamente rispetto al resto del DNA) o cromatina condensata. Il quoziente di compattamento = 1000.

Quinto livello di organizzazione

Osservando al microscopio ottico una cellula in metafase, si vedono allinearsi al centro della cellula su un’immaginaria linea equatoriale (piastra metafasica) delle strutture ad X con due bracci più lunghi degli altri due: i cromosomi. Questo è reso possibile dalla presenza di due catene di proteine, ancora poco note, unite da una terza proteina (il centromero) attorno al quale l’eterocromatina si avvolge numerose volte per tutta la sua lunghezza formando il cromosoma metafasico, quello che appunto si osserva durante la metafase della mitosi. In pratica l'eterocromatina si ancora all'impalcatura proteica che ne determina la forma. Il quoziente di compattamento = 10.000.

Replicazione semiconservativa

Sulla Terra esistono decine di milioni di varietà di forme di vita capaci di riprodursi tali e quali nel tempo. Ciò vale sia per gli organismi monocellulari, sia per le cellule che formano tessuti ed organi nelle forme di vita superiore. Quindi, deve esistere dentro ogni cellula una struttura chimica in possesso di un “codice” capace di fornire tutte le informazioni necessarie per una corretta riproduzione. Oggi sappiamo che tutte le informazioni genetiche necessarie per dar vita ad un nuovo individuo, cioè il genoma, sono contenute nella molecola del DNA (fanno eccezione alcuni virus che contengono solo l’RNA).

L'informazione genetica è codificata nelle sequenze particolari di basi presenti che determinano, a loro volta, l'esatta sequenza in cui i vari amminoacidi devono comparire nelle proteine sintetizzate. Sotto questo profilo, ogni essere vivente può essere definito come un “meccanismo messo in moto dal DNA”. La genetica, cioè la “scienza della nascita” prende l’avvio nel 1865 quando il monaco agostiniano austriaco Mendel scoprì le leggi dell’ereditarietà, ovvero i meccanismi generali con i quali i caratteri ereditari si trasmettono alla discendenza. Solo in seguito si scoprì che i cromosomi che si trovano nel nucleo della cellula contengono i geni ed i geni sono fatti di DNA. Si comprese quindi che le molecole che assolvono alla funzione di conservare, replicare e trascrivere l’informazione genetica sono gli acidi nucleici: DNA e RNA.

L'informazione genetica viene conservata e trasmessa da una generazione all’altra sotto forma di acido desossiribonucleico (DNA). I geni, le strutture cromosomiche deputate alla trasmissione dei caratteri ereditari, sono lunghe catene di DNA a doppio filamento. Si perviene quindi al cosiddetto "dogma centrale della biologia", sempre confermato sperimentalmente, che schematicamente può essere così rappresentato:

In pratica tale dogma afferma che i processi fondamentali su cui si basa la conservazione ed il trasferimento dell'informazione genetica sono tre:

• La replicazione del DNA in una sua copia identica
• La trascrizione del messaggio contenuto nel DNA in una molecola di RNA