Contenuti
- La cromatina contiene DNA e proteine
- Gli istoni sono costituiti da proteine di base
- I nucleosomi sono le unità strutturali della cromatina
- Nucleosomi a strutture di ordine superiore
- Mantenimento delle strutture cromosomiche condensate da parte delle proteine SMC
- Livello di organizzazione nel DNA batterico
- Conclusioni
- Intervista Q&A
La cromatina contiene DNA e proteine
La divisione cellulare o il ciclo cellulare nelle cellule eucariotiche induce cambiamenti significativi nella struttura cromosomica. Nelle cellule eucariotiche presenti nel G0 fase (fase non dividente) e quelli nelle fasi iniziali del ciclo cellulare, come la fase G1, S e G2 (stadi di interfase), la cromatina (materiale cromosomico) è amorfa e dispersa casualmente in porzioni specifiche del nucleo .
Nella fase S, replicazione del DNA (duplicazione), che è già presente nello stato amorfo. Quindi ogni cromosoma produce due cromatidi fratelli (chiamati cromosomi fratelli) che rimangono uniti tra loro anche dopo che la replicazione è terminata.
La cromatina diventa significativamente più condensata durante la profase della mitosi, comparendo in un numero specifico di cromatidi fratelli specifici per specie.
La cromatina comprende strutture filiformi contenenti proteine e il DNA è approssimativamente equivalente alle masse. Una piccola quantità di RNA è solitamente presente nella cromatina. Nella cromatina, le proteine sono strettamente legate al DNA. Queste proteine sono note come istoni. Il DNA si attacca alle proteine dell'istone per formare blocchi costitutivi della struttura della cromatina noti come nucleosomi.
Allo stesso modo, numerose proteine non istoniche si trovano anche nella cromatina. Le proteine istoniche sono generalmente coinvolte nella regolazione dell'espressione genica insieme al mantenimento integrale della struttura cromosomica.
A partire dai nucleosomi, il DNA cromosomico eucariotico è compresso in una progressione di strutture di livello superiore che alla fine producono un design compatto noto come cromosoma che può essere visto con l'aiuto di un microscopio a basso ingrandimento (microscopio ottico). Possiamo facilmente confrontare questa struttura compatta facilmente visibile con il DNA di un batterio.
Gli istoni sono costituiti da proteine di base
- Gli istoni esistono nella cromatina di quasi tutte le cellule eucariotiche.
- Gli istoni hanno un peso molecolare compreso tra 11,000 e 21,000 kilodalton.
- Gli istoni hanno un'abbondanza di amminoacidi come la lisina e l'arginina (circa il 25%) che sono di natura basica.
- Le proteine istoniche presenti nelle cellule eucariotiche sono classificate in cinque diverse classi in base alla loro composizione amminoacidica e al peso molecolare. Questi sono precisamente: H1, H2A, H2B, H3 e H4.
Le proteine degli istoni come H1, H2A e H2B presentano la minima somiglianza di sequenza tra gli eucarioti.
Le proteine dell'istone H4 hanno funzioni conservate e solo 2 su 102 residui di amminoacidi sono diversi tra i residui di amminoacidi delle proteine dell'istone H4 di piselli e mucche. Solo otto residui di amminoacidi differiscono nei residui di amminoacidi del lievito e dell'uomo. La sequenza amminoacidica è quasi identica in tutti gli eucarioti.
Ogni tipo di istone presenta variazioni nelle strutture e nella sequenza amminoacidica; è perché le catene laterali dell'amminoacido sono manipolate enzimaticamente mediante glicosilazione, fosforilazione, ADP-ribosilazione e acetilazione o metilazione. Queste modificazioni chimiche possono influenzare la forma, la carica elettrica netta e varie altre proprietà degli istoni. Influenzano anche le proprietà funzionali e strutturali della cromatina e regolano la trascrizione.
I nucleosomi sono le unità strutturali della cromatina
Un cromosoma eucariotico è una forma molto compatta di una molecola di DNA avente una lunghezza di circa 105 micrometri, che andrà ad inserirsi nel nucleo di circa 10 micrometri. Questa compattazione include vari livelli di eventi di piegatura e superavvolgimento continui.
Il trattamento dei cromosomi per lo spiegamento parziale rivela che alcune perline strettamente legate di strutture simili a proteine sono presenti regolarmente.
Queste strutture "perline su un filo" sono in realtà i complessi delle proteine dell'istone e del DNA. Il Bead (DNA e istoni) e il DNA di collegamento tra le due perline formano un nucleosoma. Un nucleosoma è l'unità strutturale della cromatina di ordine superiore (cromosomi) presente in una cellula.
Ogni perla di un nucleosoma è costituita da otto molecole di istoni: due duplicati ciascuno di H4, H3, H2A e H2B. Un singolo nucleosoma contiene 200 bp di DNA, di cui 146 bp di DNA sono strettamente avvolti attorno al nucleo dell'istone.
Al contrario, il DNA rimanente funge da DNA di collegamento tra due perline di nucleosomi e si lega alla subunità H1 della proteina dell'istone.
Quando la cromatina viene trattata con enzimi che digeriscono il DNA, provoca la digestione selettiva del DNA linker, con conseguente distacco di particelle istoniche contenenti 146 bp di DNA legato che è stato protetto dagli enzimi che digeriscono il DNA.
Gli scienziati hanno purificato con successo il nucleosoma e dopo studi di diffrazione dei raggi X, si osserva che un nucleosoma composto da otto molecole di istoni con del DNA avvolto attorno ad esso che è presente sotto forma di un superavvolgimento solenoidale sinistrorso.
Studi successivi hanno giustificato il DNA eucariotico sotto lesione nonostante la presenza di proteine che sottomettono il DNA. Questo mostra che i nucleosomi con avvolgimento solenoidale del DNA sono in realtà un tipo di superavvolgimento che può essere posseduto dal DNA sotto la ferita (superavvolto negativamente). Per avvolgere strettamente il DNA sull'istone, le proteine devono eliminare circa un giro nel DNA.
Quando le proteine del nucleo del nucleosoma si legano a un DNA circolare in uno stato rilassato, induce un superavvolgimento negativo nel DNA circolare chiuso. Poiché questo processo di legame non rompe il DNA o altera il numero di collegamento, lo sviluppo del superavvolgimento solenoidale negativo dovrebbe avere un superavvolgimento positivo per la compensazione nell'area non legata del DNA.
Le topoisomerasi eucariotiche possono affrontare il superavvolgimento positivo rilassando il superavvolgimento positivo (non legato) e lasciando fisso il superavvolgimento negativo (dal sito da cui è collegato con le proteine centrali dell'istone), che si traduce in un netto decremento del numero di collegamento . Sicuramente le topoisomerasi si sono rivelate essenziali per associare in vitro la cromatina ottenuta dagli istoni e il DNA circolare.
La sequenza del legame del DNA alle proteine dell'istone influenza anche la forza di legame e altri parametri del legame del DNA con gli istoni. Le proteine istoniche non si legano casualmente al DNA. Sebbene il meccanismo non sia stato chiaramente compreso fino ad ora, le proteine dell'istone preferiscono legarsi al DNA della sequenza ricca di AT (sequenza che ha molte coppie di basi di AT).
Il legame stretto del DNA sul centro dell'istone del nucleosoma richiede una minore compressione del solco nel DNA nei punti di legame. Inoltre, dovrebbero esserci alcune (2 o 3) coppie di basi AT per rendere più fattibile il processo di compressione.
Sono necessarie anche molte altre proteine per posizionare accuratamente il DNA sul nucleo dell'istone nucleosomiale. In alcuni organismi, diverse proteine interagiscono con una particolare sequenza di DNA e aiutano a formare un complesso con il nucleo istonico nucleosomiale. Questo processo modula anche l'espressione genica negli eucarioti.
Nucleosomi a strutture di ordine superiore
L'avvolgimento del DNA attorno a un nucleo istonico del nucleosoma accorcia la lunghezza del DNA di circa sette volte. La compattazione in un cromosoma raggiunge le 10,000 pieghe supportate da prove adeguate per la presenza dell'organizzazione cromosomica di ordine superiore. Alcuni cromosomi isolati mostrano che i nucleosomi esistono in strutture altamente organizzate note come fibre a 30 nm.
Quel tipo di confezionamento richiede una molecola di istone H1 per nucleosoma. L'organizzazione del nucleosoma in fibre di 30 nm non è presente sull'intero set cromosomico è intervallata da aree in cui il DNA è legato a proteine non istoniche specifiche della sequenza. La struttura a 30 nm appare inoltre nella regione in cui è in corso l'attività trascrizionale.
Le aree in cui i geni sono sotto espressione o trascrizione sono ovviamente in una condizione meno ordinata contenente subunità dell'istone H1 molto piccola o bassa. La fibra da 30 nm è considerata il secondo grado di associazione della cromatina, conferendo al DNA una compattezza di 100 volte.
Sebbene l'esatto meccanismo del superavvolgimento di livello superiore non sia ancora chiaramente compreso, sembra che alcune regioni del DNA interagiscano con l'impalcatura nucleare.
La regione dell'impalcatura (dove il DNA si lega all'istone di un nucleosoma) è separata da un anello di DNA lungo da 20 a 100 kbp. Questo DNA ad anello può contenere anche alcuni geni correlati. Ad esempio, in Drosophila, i geni che codificano gli istoni si raggruppano in anelli e si legano allo scaffold.
Lo scaffold sembra contenere poche altre proteine, molto istone H1 (situato nella struttura interna della fibra) e topoisomerasi II. La presenza della topoisomerasi II indica ulteriormente la relazione tra la struttura della cromatina e l'underwinding del DNA.
La topoisomerasi II è così vitale per mantenere la struttura della cromatina che gli inibitori dell'enzima topoisomerasi II sono in grado di uccidere le cellule in divisione. Questi inibitori promuovono la rottura del filamento ma non consentono alla topoisomerasi II di sigillare queste rotture.
Esistono prove per strati extra di associazione nei cromosomi eucariotici, ciascuno strato che migliora significativamente il livello di compattazione.
La struttura della cromatina di livello superiore presumibilmente cambia da cromosoma a cromosoma, all'interno di un cromosoma e da condizione a condizione dell'esistenza di una cellula. Tuttavia, nessun modello è in grado di spiegare queste strutture. Anche se, la regola è chiara: nei cromosomi eucariotici, la compattazione del DNA ha bobine su bobine del tipo di condensazione.
La parola "cromosoma" si riferisce a un acido nucleico, che è il serbatoio dell'informazione genetica di un organismo. Allo stesso modo, questo termine è anche usato per le strutture colorate compattate visibili nel nucleo di una cellula colorante macchiata visibile al microscopio.
Mantenimento delle strutture cromosomiche condensate da parte delle proteine SMC
La terza classe di proteine della cromatina, insieme agli istoni e alle topoisomerasi, è costituita dalle proteine SMC (mantenimento strutturale dei cromosomi). La costruzione della struttura delle proteine SMC contiene cinque domini particolari.
L'amminoterminale carbossi-terminale del dominio globulare svolge un ruolo nell'idrolisi dell'ATP ed è associato ai motivi a spirale α-elica attaccati al dominio cerniera. Queste sono proteine dimeriche che formano un complesso a forma di V che è anche connesso al dominio cerniera.
Il dominio C e N si avvicina per finalizzare la formazione del sito idrolitico dell'ATP ad entrambe le estremità del complesso V. Le proteine elencate nella famiglia SMC si trovano generalmente in molti organismi viventi, dai microbi ai mammiferi. Gli eucarioti hanno sostanzialmente due tipi di proteine SMC, vale a dire le condensane e le coesine.
Si presume che le coesine abbiano un ruolo importante nell'unirsi ai cromatidi fratelli dopo la replicazione fino a quando non si condensano per formare il cromosoma in metafase. Questa interazione è importante perché i cromosomi devono staccarsi correttamente durante la divisione cellulare.
Sebbene i meccanismi ben spiegati attraverso i quali le coesine collegano i cromosomi fratelli e l'importanza dell'idrolisi dell'ATP non siano chiaramente compresi. Mentre la cellula si prepara ad entrare nella mitosi, la condensa gioca un ruolo significativo nella condensazione cromosomica.
In condizioni in vitro, le condense interagiscono con il DNA e formano superavvolgimenti positivi; la restrizione della condensa fa sì che il DNA si avvolga, invece di un sottoavvolgimento avviato dal legame del nucleosoma. Gli esatti meccanismi attraverso i quali la condensa promuove la compattazione della cromatina non sono ancora stati chiaramente compresi.
Livello di organizzazione nel DNA batterico
Stiamo per discutere del struttura dettagliata dei cromosomi batterici. Il DNA batterico è presente sotto forma di una struttura compatta nota come nucleoide. Occupa una parte enorme del volume cellulare (Figura). Il DNA si unisce alla membrana interna della membrana plasmatica in diverse posizioni.
Rispetto alla cromatina eucariotica, si conoscono meno dettagli sul nucleoide. In E. coli, una struttura simile a un'impalcatura sembra disporre il cromosoma circolare chiuso in una disposizione di anse, come illustrato sopra per la cromatina. Tuttavia, il DNA batterico non sembra avere alcuna struttura simile ai nucleosomi eucariotici.
Sebbene E. coli abbia diverse proteine simili agli istoni eucariotici (di solito sono dimerici (Mw 19,000 KDa), non sono molto stabili e si degradano in pochi minuti, quindi non si trovano sotto forma di complesso istonico del DNA. il cromosoma batterico fornisce informazioni genetiche più accessibili; pertanto, è considerato una bio-macromolecola molto dinamica.
Il batterio si divide per fissione binaria (un tipo di divisione cellulare) e impiega circa 15 minuti. Al contrario, una comune cellula eucariotica non entra nel ciclo di divisione per ore o addirittura mesi. Allo stesso modo, una parte molto significativa del DNA procariotico viene utilizzata per codificare RNA e proteine.
L'aumento dei tassi di metabolismo cellulare nei microbi implica che un'alta percentuale del DNA subisce la trascrizione o la replicazione in un dato momento rispetto alle cellule eucariotiche.
Conclusioni
In questo articolo abbiamo discusso degli aspetti cruciali del confezionamento del DNA e delle strutture di ordine superiore. Per comprendere meglio questo argomento, leggi il nostro articolo su Superavvolgimento del DNA.
Intervista Q&A
Q1. Quali sono le funzioni e la struttura di un cromosoma?
Risposta: I cromosomi hanno una forma simile a un filo e sono posti all'interno del nucleo di una cellula eucariotica. I procarioti non hanno più cromosomi. Invece, generalmente hanno un singolo cromosoma circolare noto come nucleoide. I cromosomi sono DNA (di solito una singola molecola di DNA) e proteine (istones e alcune proteine non istoniche). La funzione esclusiva dei cromosomi è quella di trasportare geni responsabili dell'ereditarietà dei tratti genetici e del trasferimento di informazioni genetiche alla prole.
Q2. In che modo i cambiamenti nella struttura dei cromosomi possono influenzare un individuo?
Risposta: Ci sono molti fattori che sono responsabili dei cambiamenti strutturali nei cromosomi. Questi cambiamenti potrebbero portare a differenze nell'espressione genica di un individuo, che alla fine causano cambiamenti nell'espressione delle proteine e anche nelle funzioni del corpo.
Q3. Come si inserisce una struttura di DNA molto lunga nei piccoli nuclei?
Risposta: Il DNA è presente nei cromosomi ha una lunghezza di centimetri. Si inserisce nel nucleo avente i raggi dell'ordine dei micrometri con l'aiuto di acidi nucleici che legano le proteine istoniche. Il DNA dei cromosomi è caricato negativamente, che si lega alle proteine istoniche caricate positivamente per formare nucleosomi. Un singolo nucleosoma avvolge 146 coppie di basi di DNA, realizzando 1.65 spire sul nucleo dell'istone.
Q4. Quali sono i due tipi di cromosomi?
Risposta: In base al sesso di un individuo, i cromosomi si dividono in due categorie
- 1- Autosomi (responsabili del funzionamento del corpo. Sono 44 in numero, 22 coppie)
- 2- Allosomi (Cromosomi sessuali, responsabili del funzionamento dei caratteri sessuali secondari sono in numero di 2, una coppia)
Gli esseri umani hanno autosomi (22 coppie) e allosomi (una coppia) o cromosomi sessuali.
Q5. Denominare i componenti dei cromosomi eucariotici.
Risposta: I cromosomi negli eucarioti sono composti principalmente da componenti proteici (istoni e non istoni), componenti di acidi nucleici (DNA e piccole quantità di RNA) e alcuni ioni metallici, ecc.
Q6. Cosa accadrebbe se una persona avesse un cromosoma in più?
Risposta: Cromosomi extra nelle cellule di una persona portano ad anomalie cromosomiche.
La presenza di una copia in più del 21° cromosoma (trisomia) porta alla sindrome di down. La sindrome di Klinefelter è causata da un cromosoma X in più nell'individuo, che ne determina il genotipo 44+XXY.
Q7. Quali sono i tipi di cromosomi in base alla posizione del centromero?
Risposta: ce ne sono quattro tipi di cromosomi in base alla posizione del centromero
- metacentrico
- sub-metacentrico
- acrocentrico
- telocentrico
Q8. Cita due modi per classificare i cromosomi.
Risposta: I cromosomi sono classificati in base a diversi criteri:
- Basato sul posizione del centromero:
- metacentrico: Il centromero è presente nel mezzo del cromosoma
- sub-metacentrico: Il centromero è presente vicino al centro del cromosoma
- Acrocentrico: Il centromero è presente vicino all'estremità del cromosoma
- Telocentrico: Il centromero è presente nella posizione terminale del cromosoma
- Sulla base cromosomi sessuali:
- Autosomi: Responsabile delle normali funzioni dell'organismo
- Allosomi: responsabile dei caratteri sessuali secondari
Q9. Cosa sono gli istoni? Quali sono le loro importanti funzioni?
Risposta: Gli istoni sono proteine leganti il DNA di base e caricate positivamente (poiché il DNA è caricato negativamente) che aiuta nel superavvolgimento del DNA. Gli istoni formano un nucleo che favorisce l'avvolgimento del DNA. Pertanto, il legame dell'istone è responsabile della regolazione dell'espressione dei geni.
Q10. Quanti tipi di istoni sono presenti nelle cellule eucariotiche?
Risposta: Cinque tipi di proteine istoniche si trovano nelle cellule eucariotiche. Su cinque, quattro sono coinvolti nella formazione del nucleo istonico del nucleosoma (H2A, H2B, H3 e H4), mentre H1 si lega al DNA sulla superficie del nucleosoma.
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Sono Abdullah Arsalan, ho completato il mio dottorato di ricerca in Biotecnologie. Ho 7 anni di esperienza di ricerca. Ho pubblicato finora 6 articoli su riviste di fama internazionale con un Impact Factor medio di 4.5 e pochi altri sono in considerazione. Ho presentato lavori di ricerca in vari convegni nazionali ed internazionali. La mia area di interesse è la biotecnologia e la biochimica con particolare attenzione alla chimica delle proteine, all'enzimologia, all'immunologia, alle tecniche biofisiche e alla biologia molecolare.
