NUCLEOSOMA: FUNZIONI, COMPOSIZIONE E STRUTTURA - BIOLOGIA - 2025

Il nucleosoma è l'unità di confezionamento di base del DNA negli organismi eucariotici. È quindi l'elemento di compressione più piccolo per la cromatina.

Il nucleosoma è costruito come un ottamero di proteine ​​chiamate istoni, o una struttura a forma di tamburo su cui sono avvolti circa 140 nt di DNA, compiendo quasi due giri completi.

Struttura nucleosomica

Inoltre, un ulteriore 40-80 nt di DNA è considerato parte del nucleosoma ed è la frazione di DNA che consente la continuità fisica tra un nucleosoma e l'altro in strutture di cromatina più complesse (come la fibra di cromatina da 30 nm).

Il codice istonico è stato uno dei primi elementi di controllo epigenetico meglio compresi dal punto di vista molecolare.

Caratteristiche

I nucleosomi consentono:

• Il confezionamento del DNA per adattarsi allo spazio limitato del nucleo.
• Determinano la partizione tra la cromatina espressa (eucromatina) e la cromatina silente (eterocromatina).
• Organizzano tutta la cromatina sia spazialmente che funzionalmente nel nucleo.
• Rappresentano il substrato delle modificazioni covalenti che determinano l'espressione, e il livello di espressione, dei geni che codificano per proteine ​​attraverso il cosiddetto codice istonico.

Composizione e struttura

Nella sua accezione più elementare, i nucleosomi sono costituiti da DNA e proteine. Il DNA può essere virtualmente qualsiasi DNA a doppia banda presente nel nucleo della cellula eucariotica, mentre le proteine ​​nucleosomiche appartengono tutte all'insieme di proteine ​​chiamate istoni.

Gli istoni sono piccole proteine ​​con un alto carico di residui amminoacidici basici; Ciò consente di contrastare l'elevata carica negativa del DNA e di instaurare un'efficace interazione fisica tra le due molecole senza raggiungere la rigidità del legame chimico covalente.

Gli istoni formano un ottamero simile a un tamburo con due copie o monomeri di ciascuno degli istoni H2A, H2B, H3 e H4. Il DNA compie quasi due giri completi sui lati dell'ottamero e poi continua con una frazione di DNA linker che si associa all'istone H1, per tornare a dare due giri completi su un altro istone ottamero.

L'insieme di ottameri, il DNA associato e il suo corrispondente DNA linker, è un nucleosoma.

Compattazione della cromatina

Il DNA genomico è costituito da molecole estremamente lunghe (più di un metro nel caso dell'uomo, considerando tutti i loro cromosomi), che devono essere compattate e organizzate all'interno di un nucleo estremamente piccolo.

Il primo passo in questa compattazione viene effettuato attraverso la formazione di nucleosomi. Con questo solo passaggio, il DNA viene compattato circa 75 volte.

Ciò dà origine a una fibra lineare da cui vengono costruiti i livelli successivi di compattazione della cromatina: la fibra da 30 nm, i loop e i loop dei loop.

Quando una cellula si divide, sia per mitosi che per meiosi, il massimo grado di compattazione è rispettivamente il cromosoma mitotico o meiotico stesso.

Il codice istonico e l'espressione genica

Il fatto che gli ottameri istonici e il DNA interagiscano elettrostaticamente spiega in parte la loro effettiva associazione, senza perdere la fluidità necessaria a rendere i nucleosomi elementi dinamici di compattazione e decompattazione della cromatina.

Ma c'è un elemento di interazione ancora più sorprendente: le estremità N-terminali degli istoni sono esposte all'esterno dell'interno dell'ottamero più compatto e inerte.

Queste estremità non solo interagiscono fisicamente con il DNA, ma subiscono anche una serie di modificazioni covalenti dalle quali dipenderà il grado di compattazione della cromatina e l'espressione del DNA associato.

L'insieme di modifiche covalenti, in termini di tipo e numero, tra le altre cose, è noto collettivamente come codice istonico. Queste modifiche includono fosforilazione, metilazione, acetilazione, ubiquitinazione e sumoilazione di residui di arginina e lisina agli N-terminali degli istoni.

Ogni cambiamento, insieme ad altri all'interno della stessa molecola o in residui di altri istoni, in particolare gli istoni H3, determinerà l'espressione o meno del DNA associato, nonché il grado di compattazione della cromatina.

Come regola generale, si è visto, ad esempio, che gli istoni ipermetilati e ipoacetilati determinano che il DNA associato non è espresso e che la cromatina è presente in uno stato più compatto (eterocromatico e quindi inattivo).

Al contrario, il DNA eucromatico (meno compatto e geneticamente attivo) è associato a una cromatina i cui istoni sono iperacetilati e ipometilati.

Eucromatina vs eterocromatina

Abbiamo già visto che lo stato di modificazione covalente degli istoni può determinare il grado di espressione e la compattazione locale della cromatina. A livello globale, anche la compattazione della cromatina è regolata da modificazioni covalenti degli istoni nei nucleosomi.

Ad esempio, è stato dimostrato che l'eterocromatina costitutiva (che non è mai espressa ed è densamente impaccata) tende ad essere attaccata alla lamina nucleare, lasciando liberi i pori nucleari.

Da parte sua, l'eucromatina costitutiva (che è sempre espressa, come quella che include i geni del mantenimento cellulare, e si trova nelle regioni della cromatina lassista), lo fa in grandi anelli che espongono il DNA da trascrivere al meccanismo di trascrizione .

Altre regioni del DNA genomico oscillano tra questi due stati a seconda del tempo di sviluppo dell'organismo, delle condizioni di crescita, dell'identità cellulare, ecc.

Altre funzioni

Per adempiere al loro piano di sviluppo, espressione e mantenimento delle cellule, i genomi degli organismi eucarioti devono regolare con precisione quando e come devono manifestarsi le loro potenzialità genetiche.

A partire poi dalle informazioni immagazzinate nei loro geni, questi si trovano nel nucleo in particolari regioni che ne determinano lo stato trascrizionale.

Possiamo dire, quindi, che un altro dei ruoli fondamentali dei nucleosomi, attraverso i cambiamenti della cromatina che aiuta a definire, è l'organizzazione o l'architettura del nucleo che li ospita.

Questa architettura è ereditata ed è filogeneticamente conservata grazie all'esistenza di questi elementi modulari del packaging informativo.

Riferimenti

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell ( ^6a edizione). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Brooker, RJ (2017). Genetica: analisi e principi. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Mobilità dei nucleosomi regolata e codice istonico. Nature Structural & Molecular Biology, 11: 1037-43.
4. Goodenough, UW (1984) Genetics. WB Saunders Co.Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
5. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Un'introduzione all'analisi genetica (11 ^° ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.