Cromosomi e struttura cromatina di ordine superiore

La cromatina diventa altamente condensata durante la mitosi per formare i cromosomi metafase compatti che vengono distribuiti ai nuclei figlia (vedere Figura 4.12). Durante l’interfase, parte della cromatina (eterocromatina) rimane altamente condensata ed è trascrizionalmente inattiva; il resto della cromatina (euchromatina) viene decondensato e distribuito in tutto il nucleo (Figura 8.15). Le cellule contengono due tipi di eterocromatina. L’eterocromatina costitutiva contiene sequenze di DNA che non vengono mai trascritte, come le sequenze satellitari presenti nei centromeri. L’eterocromatina facoltativa contiene sequenze che non sono trascritte nella cellula in esame, ma sono trascritte in altri tipi di cellule. Di conseguenza, la quantità di eterocromatina facoltativa varia a seconda dell’attività trascrizionale della cellula. Gran parte dell’eterocromatina è localizzata alla periferia del nucleo, probabilmente perché una delle principali proteine associate all’eterocromatina si lega a una proteina della membrana nucleare interna.

Figura 8.15

Eterocromatina nei nuclei interfase. L’euchromatina è distribuita in tutto il nucleo. L’etero-cromatina è indicata da punte di freccia e il nucleolo da una freccia. (Per gentile concessione di Ada L. Olins e Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (piu…)

Il fenomeno dell’inattivazione del cromosoma X fornisce un esempio del ruolo dell’eterocromatina nell’espressione genica. In molti animali, compresi gli esseri umani, le femmine hanno due cromosomi X e i maschi hanno un cromosoma X e un cromosoma Y. Il cromosoma X contiene migliaia di geni che non sono presenti sul cromosoma Y molto più piccolo (vedi Figura 4.26). Pertanto, le femmine hanno il doppio dei geni del cromosoma X rispetto ai maschi. Nonostante questa differenza, le cellule femminili e maschili contengono quantità uguali di proteine codificate dai geni del cromosoma X. Ciò deriva da un meccanismo di compensazione del dosaggio in cui uno dei due cromosomi X nelle cellule femminili viene inattivato convertendosi in eterocromatina all’inizio dello sviluppo. Di conseguenza, solo una copia del cromosoma X è disponibile per la trascrizione in cellule femminili o maschili. Il meccanismo di inattivazione del cromosoma X è affascinante anche se non ancora completamente compreso; sembra coinvolgere l’azione di un RNA regolatore che ricopre il cromosoma X inattivo e induce la sua conversione in eterocromatina.

Sebbene la cromatina interfase sembri essere distribuita uniformemente, i cromosomi sono effettivamente disposti in modo organizzato e divisi in domini funzionali discreti che svolgono un ruolo importante nella regolazione dell’espressione genica. La distribuzione non casuale della cromatina all’interno del nucleo interfase fu suggerita per la prima volta nel 1885 da C. Rabl, che propose che ogni cromosoma occupasse un territorio distinto, con centromeri e telomeri attaccati ai lati opposti dell’involucro nucleare (Figura 8.16). Questo modello di base dell’organizzazione cromosomica è stato confermato quasi cento anni dopo (nel 1984) da studi dettagliati sui cromosomi politenici nelle ghiandole salivari della Drosophila. Invece di avvolgersi casualmente l’uno intorno all’altro, è stato trovato che ciascun cromosoma occupa una regione discreta del nucleo (Figura 8.17). I cromosomi sono strettamente associati all’involucro nucleare in molti siti, con i loro centromeri e telomeri raggruppati ai poli opposti.

Figura 8.16

Organizzazione cromosomica. Riproduzione di schizzi disegnati a mano di cromosomi in cellule di salamandra. (A) Cromosomi completi. B) Solo telomeri (situati sulla membrana nucleare). (Da C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

Figura 8.17

Organizzazione dei cromosomi della Drosophila. (A) Un modello del nucleo, che mostra i cinque bracci cromosomici in diversi colori. Sono indicate le posizioni dei telomeri e dei centromeri. (B) I due bracci del cromosoma 3 sono mostrati per illustrare la topologica (più…)

I singoli cromosomi occupano anche territori distinti all’interno dei nuclei delle cellule di mammifero (Figura 8.18). I geni trascritti attivamente sembrano essere localizzati alla periferia di questi territori, adiacenti ai canali che separano i cromosomi. Si pensa che gli RNA appena trascritti vengano rilasciati in questi canali tra i cromosomi, dove avviene l’elaborazione dell’RNA.

Figura 8.18

Organizzazione dei cromosomi nel nucleo dei mammiferi. (A) Le sonde a sequenze ripetute sul cromosoma 4 sono state ibridate in una cellula umana. Le due copie del cromosoma 4, identificate dalla fluorescenza gialla, occupano territori distinti nel nucleo. (B) (più…)

Come il DNA nei cromosomi metafase (vedi Figura 4.13), la cromatina nei nuclei interfase sembra essere organizzata in domini in loop contenenti circa 50-100 kb di DNA. Un buon esempio di questa organizzazione a dominio in loop è fornito dai cromosomi altamente trascritti di ovociti anfibi, in cui le regioni di DNA attivamente trascritte possono essere visualizzate come loop estesi di cromatina decondensata (Figura 8.19). Questi domini della cromatina sembrano rappresentare le unità funzionali discrete, che regolano indipendentemente l’espressione genica.

Figura 8.19

Domini di cromatina in loop. Micrografo leggero di un cromosoma di ovociti anfibi, mostrando anelli decondensati di cromatina trascritta attivamente che si estendono da un asse di cromatina non trascritta altamente condensata. (Per gentile concessione di Joseph Gall, Carnegie Institute.) (piu…)

Gli effetti dell’organizzazione cromosomica sull’espressione genica sono stati dimostrati da una varietà di esperimenti che dimostrano che la posizione di un gene nel DNA cromosomico influenza il livello al quale il gene è espresso. Ad esempio, l’attività trascrizionale dei geni introdotti nei topi transgenici dipende dai loro siti di integrazione nel genoma del topo. Questo effetto della posizione cromosomica sull’espressione genica può essere alleviato da sequenze note come regioni di controllo del locus, che si traducono in un alto livello di espressione dei geni introdotti indipendentemente dal loro sito di integrazione. In contrasto con gli enhancer trascrizionali( vedere Capitolo 6), le regioni di controllo del locus stimolano solo i geni trasfettati che sono integrati nel DNA cromosomico; non influenzano l’espressione dei DNA plasmidici non integrati nei test transitori. Inoltre, piuttosto che influenzare i singoli promotori, le regioni di controllo del locus sembrano attivare grandi domini cromosomici, presumibilmente inducendo alterazioni a lungo raggio nella struttura della cromatina.

La separazione tra i domini cromosomici è mantenuta da sequenze di confine o elementi isolanti, che impediscono alla struttura della cromatina di un dominio di diffondersi ai suoi vicini. Inoltre, gli isolanti fungono da barriere che impediscono agli esaltatori in un dominio di agire sui promotori situati in un dominio adiacente. Come le regioni di controllo del locus, gli isolanti funzionano solo nel contesto del DNA cromosomico, suggerendo che regolano la struttura della cromatina di ordine superiore. Sebbene i meccanismi di azione delle regioni di controllo del locus e degli isolanti rimangano da chiarire, le loro funzioni indicano chiaramente l’importanza dell’organizzazione della cromatina di ordine superiore nel controllo dell’espressione genica eucariotica.