cromatina - Farmaciaunina2.it

Il DNA eucariotico è compattato in
cromatina: molecole di DNA
associate a proteine che lo ripiegano
e compattano in modo da renderlo
comunque disponibile agli enzimi che
lo replicano, lo riparano, lo esprimono
Il genoma nucleare è ripartito in molecole di DNA
lineari, ciascuna contenuta in un cromosoma

Ciascuna cellula umana contiene approssimativamente 2m di
DNA
Il nucleo ha un diametro di 6μm
Se ciascuna coppia di nt fosse disegnata lunga 1mm come in A,
il genoma umano si estenderebbe per 3200Km

Il DNA eucariotico è compattato in una serie di cromosomi
Cromosomi= molecole di DNA lineari compattate da proteine
Cariotipo= numero dei cromosomi e loro forma alla metafase
Cromosomi isolati da una cellula in mitosi
I cromosomi contengono i geni, le unità funzionali dell’eredità e
grande quantità di DNA in eccesso intercalato fra essi

Cromatina interfasica estesa/cromatina in cromosoma mitotico
Rapporto di compattamento:
1000/ 10000volte
Non solo i cromosomi si condensano globalmente secondo il ciclo cellulare, ma
differenti regioni di cromosomi interfasici si condensano e decondensano per
l’accesso a seq specifiche del DNA per l’espressione, la riparazione, la replicazione

Il compattamento deve essere compiuto in modo da permettere
un rapido accesso localizzato, secondo la necessità, al DNA

A model for chromatin packing in
metaphase chromosomes

I nucleosomi sono l’unità base della struttura cromatinica
Cromatina isolata da nucleo interfasico al ME
Fibra da 30nm
Decondensata

Organizzazione strutturale del nucleosoma
I nucleosomi si ripetono ad
intervalli di circa 200 nt
146 nt→ avvolgimento di 1.65
volte intorno al nucleo istonico

Struttura del core nucleosomico determinata da analisi di
diffrazione ai raggi X (1997)

Organizzazione strutturale degli istoni del core
Un tetramero H3-H4 forma
l’impalcatura dell’ottamero
su cui si aggiungono 2
dimeri H2A-H2B
Conservazione durante l’evoluzione: H4,H3> H2A, H2B

I nucleosomi sono compattati nella fibra di 30nm
Modello a zigzag
La fibra di 30nm è un mosaico fluido delle diverse
variazioni a zigzag
Irregolarità nella fibra
Regione ipersensibile a nucleasi

The solenoid model of condensed
chromatin

Fibra di 30nm
- istone H1
- code degli istoni del core

L’istone H1 è coinvolto nella formazione della fibra di 30nm
a partire da una fila lineare di nucleosomi
Modello ipotetico del modo in cui H1 potrebbe cambiare il
percorso del DNA che esce dal core nucleosomico

Anche le code degli istoni del core contribuiscono alla condensazione
nella fibra di 30nm
Prove sperimentali:
- Le code istoniche contribuiscono alla formazione della fibra
-Nella struttura a raggi X: le code vengono in contatto con il core istonico del nucleosoma adiacente
- Le code interagiscono con il DNA

Strategie per cambiare reversibilmente
strutture locali di cromatina
- Complessi di rimodellamento (ATPdipendenti)
-Modificazioni covalenti delle code N-terminali
degli istoni del core catalizzate da enzimi

Complessi di rimodellamento della cromatina usano l’energia di
idrolisi dell’ATP per cambiare temporaneamente la struttura
dei nucleosomi
Differenti complessi rompono e
riformano i nucleosomi
Effetto diretto: interazione
DNA-istoni

Modificazioni covalenti delle code degli istoni possono influenzare
profondamente la cromatina
Acetilazione di K
Metilazione di K
Fosforilazione di S
Ubiquitinazione
Rimuovono la carica
Attraggono proteine
Effetto indiretto: stabilità della
cromatina (acetilazione) e
legame di proteine

Le modificazioni possono attrarre (stabilizzare) l’interazione
con proteine specifiche
Le regioni N-terminali degli istoni possono essere marcate da
combinazioni diverse di modificazioni → codice istonico?
Ciascuna marcatura darebbe un significato specifico al tratto di
cromatina in cui avviene poiché recluterebbe proteine specifiche che
eseguono le funzioni appropriate.

Il significato funzionale delle modificazioni è noto solo per
alcuni casi
Esempio
Schemi specifici di modificazione degli istoni (acetilazione) aiutano
direttamente l’assemblaggio dei fattori generali di trascrizione al promotore
K K

I complessi di rimodellamento e gli enzimi che modificano
gli istoni possono operare di concerto
1- Schemi specifici di modificazioni possono reclutare
complessi di rimodellamento
2- I complessi di rimodellamento possono contenere
come subunità gli enzimi che modificano gli istoni

Eucromatina ed Eterocromatina
Eucromatina →fibra di 30nm
Eterocromatina →livelli di organizzazione più compatti, cromatina
altamente organizzata e in genere resistente all’espressione genica
- 10% del genoma
- concentrata in regioni specifiche (centromeri e telomeri)
Non incapsula DNA “morto”, ma produce tipi diversi di cromatina
compatta con ruoli diversi (strutturale e/o funzionale)

La fibra di 30nm è ripiegata in una serie di anse e
avvolgimenti
Sezione di cromosoma interfasico ripiegato in domini ad ansa, ciascuno contenente
DNA condensato in fibra di 30nm
Le singole anse si possono decondensare, probabilmente tramite
un’espansione a fisarmonica della fibra di 30nm
Non è chiaro come la fibra di 30nm sia ancorata all’ “asse” del cromosoma ma dati
sperimentali suggeriscono che la base delle anse sia ricca di DNA topoisomerasi (rotazione
del DNA ancorato)

Tipicamente la porzione eu- è quella espressa
Quando un gene normalmente espresso (eucromatina) viene sperimentalmente
riposizionato in una regione di eterocromatina, questo viene silenziato → Effetto di
posizione: l’attività del gene dipende dalla sua posizione sul cromosoma
Lievito
Drosophila
Variegazione dell’effetto di posizione: zone di cellule in cui un gene è stato riattivato ed ereditato in
questa forma nelle cellule figlie. Oppure: un gene può partire come eucromatina nello sviluppo e
compattato in eterocromatina successivamente in una cellula e nella sua progenie

L’eterocromatina è dinamica: può “diffondersi” e
“ritirarsi”
Lo stato della cromatina tende a essere ereditato
dalla progenie di una cellula

DIFFUSIONE
Modello ipotetico per l’eterocromatina all’estremità dei cromosomi
di lievito
Complessi di proteine Sir (regolatrici dell’informazione silente) riconoscono code Nterminali
ipoacetilate di istoni ai telomeri
Sir2→istone deacetilasi. NAD+dipendente
Ha un ruolo nel produrre uno
schema di ipoacetilazione di istoni
specifico dell’eterocromatina.
Come?
1.Proteine che riconoscono sequenze
specifiche di DNA telomerico attraggono il
complesso di proteine Sir, una delle quali è Sir2
2.Diffusione cooperativa del complesso delle
proteine Sir lungo il cromosoma: la
deacetilazione crea nuovi siti di legame per altri
complessi Sir
I livelli di NAD+ nella cellula aumentano
quando le cellule sono nutrizionalmente carenti

EREDITARIETA’
Modelli ipotetici del modo in cui lo stretto compattamento del
DNA in eterocromatina può essere ereditato durante la replicazione
dei cromosomi

I cromosomi mitotici sono formati da cromatina nel suo stato più
condensato
- i cromatidi fratelli possono separarsi facilmente
Micrografia
elettronica
1 molecola / 10000 nt
- il compattamento protegge il DNA dalla rottura
quando i cromatidi vengono tirati in cellule figlie e
separati
La condensazione in cromosomi mitotici richiede le
condensine: complessi proteici contenenti proteine
SMC ATP-dipendenti che avvolgono lunghi tratti
di domini di cromatina in anse destrogire

Alterazioni su scala cromosomica della struttura
cromatinica possono essere ereditate:
X→ >1000geni
Y →

Corpo di Barr
La scelta iniziale è casuale
Corpo di Barr

INATTIVAZIONE DELL’X
Inizia con la sintesi di RNA XIST (X-inactivation specific transcript) dal locus XIC (ICinactivation
center) che riveste il cromosoma X
-RNA XIST
-H2A specifico
-ipoacetilazione H3/H4
-metilazione specifica di H3
-metilazione del DNA

-In che modo è deciso inizialmente quale X
inattivare?
-Quale meccanismo impedisce all’altro X di essere
inattivato?
-Come l’RNA XIST coordina la formazione di
eterocromatina?

-La cromatina è una struttura con una organizzazione
gerarchica ma dinamica
-Può cambiare localmente e reversibilmente
-Può spegnere l’espressione di geni il cui
prodotto non è più necessario
-durante il differenziamento
-in risposta a condizioni ambientali
-E’ ereditabile
-Può diffondersi
Primo livello di controllo dell’espressione genica