CROMATINA Complesso molecolare formato da DNA, istoni e proteine non istoniche ISTONI Proteine relativamente piccole, con forte carica positiva per la presenza degli aminoacidi lisina e arginina Si conoscono cinque tipi di istoni: H1, H2A, H2B, H3 e H4 H2A, H2B, H3 e H4 = core = ottamero formato da due molecole di ognuno dei 4 istoni H1 = istone di giunzione
Funzione degli istoni Gli istoni agiscono sulla cromatina principalmente come elementi strutturali che mantengono il DNA in specifiche conformazioni tridimensionali I cinque tipi di istoni possono essere modificati dall aggiunta di gruppi chimici ai singoli residui aminoacidici. Aggiunta di gruppi acetilici, metilici o fosfato o di proteine quali l ubiquitina
istoni e protammine Gli istoni di tutte le specie eucariotiche sono codificati da geni presenti in copie multiple Ne derivano varianti anche in individui appartenenti alla stessa specie Le varianti possono apparire o scomparire in relazione allo sviluppo embrionale, a cicli di crescita e di divisione di singole linee cellulari Durante le modificazioni biochimiche e strutturali che portano alla formazione dei gameti maschili dotati di movimento, sia nelle piante che negli animali, gli istoni sono in parte o completamente sostituiti da un gruppo di proteine molto più piccole e dotate di una maggiore carica positiva, le protammine
Nucleosoma Unità fondamentale e ripetitiva della cromatina formata da un ottamero di due copie di ciascuno dei quattro istoni (H2A, H2B, H3, H4) attorno a cui è avvolto il DNA per 1 giro e ¾ (146 nucleotidi). Due nucleosomi successivi sono associati dall istone H1 Il DNA linker è un segmento di DNA che connette un nucleosoma al successivo
Organizzazione del DNA Il DNA è organizzato in ordini strutturali che dipendono da proteine chiamate istoni. Esse permettono la compattazione del materiale genetico in modo che esso possa essere contenuto all interno del nucleo. Inoltre, il complesso DNA+istoni è ancorato ad una impalcatura, detta scaffold, che costituisce lo scheletro del cromosoma. Organizzazione degli istoni Il filamento di DNA è attaccato allo scaffold in modo da formare numerose anse ( loops ). Le zone di DNA attaccate ad esso si chiamano regioni SAR (Scaffold Attachment Regions) e sono ricche di A-T. Scaffold e loops di DNA
I nucleosomi sono costituiti da DNA avvolto attorno a un ottamero costituito da 2 copie degli istoni H2A, H2B, H3 e H4.
Il DNA nei cromosomi non è lineare fibra di 30 nm cromatina decondensata (collana di perle)
I nucleosomi sono compattati insieme dall istone H1 a formare la fibra da 30 nm (cromatina).
Il modello a solenoide della cromatina condensata (fibra da 30 nm)
La cromatina viene ulteriormente compattata nel cromosoma metafasico.
30 nm
30 nm
Strutture di ordine superiore della cromatina LA CROMATINA E UNA STRUTTURA ALTAMENTE DINAMICA CON LIVELLI DIVERSI DI ORGANIZZAZIONE CHE RIFLETTONO LA SUA ATTIVITA Durante la trascrizione e la replicazione del DNA i nucleosomi vanno incontro a modificazioni A livello dei geni attivati i nucleosomi vengono perduti parzialmente o completamente La configurazione a collana è presente solo in preparazioni cellulari trattate con agenti che allentano la struttura della cromatina Nella cromatina allo stato nativo i nucleosomi si avvolgono in una spirale regolare chiamata SOLENOIDE
Strutture di ordine superiore della cromatina LA CROMATINA E UNA STRUTTURA ALTAMENTE DINAMICA CON LIVELLI DIVERSI DI ORGANIZZAZIONE CHE RIFLETTONO LA SUA ATTIVITA NUCLEOSOMA FIBRA CROMATINICA i nucleosomi adiacenti sono connessi da un corto segmento di DNA spaziatore. Nell insieme tale struttura assume l aspetto di un filo di perle SOLENOIDE è una spirale che contiene da 6 a 8 nucleosomi per giro. I solenoidi si organizzano intorno ad una impalcatura centrale formando delle ANSE Le anse si spiralizzano ulteriormente
Si individuano due distinti tipi di cromatina l eucromatina e l eterocromatina. EUCROMATINA Trascrizionalmente attiva Elevata velocità di replicazione Elevata sensibilità alle nucleasi Bassa condensazione ETEROCROMATINA Trascrizionalmente inattiva Bassa velocità di replicazione Bassa sensibilità alle nucleasi Elevata condensazione
Ipotesi per la rimozione dei nucleosomi Gli istoni ed i nucleosomi sono rimossi quasi completamente dai siti di trascrizione o di replicazione a) In seguito alla conversione della cromatina dallo stato inattivo a quello attivo l istone H1 può essere rilasciato permettendo lo scorrimento dei nucleosomi lungo il DNA per fare spazio agli enzimi della trascrizione b) L acetilazione degli istoni legati al DNA attivo trascrizionalmente riduce l attrazione elettrostatica e facilita lo svolgimento del DNA e la rimozione dei nucleosomi dai siti attivi c) i complessi enzimatici attivi nella trascrizione e replicazione legano il DNA così fortemente da spiazzare i nucleosomi
Gli istoni nel nucleosoma contengono code aminoterminali flessibili che sporgono dalla loro porzione globulare, ricche in lisine (aa con carica positiva). In virtù della carica positiva, le lisine interagiscono con i gruppi fosfato del DNA COMPATTAMENTO Le lisine possono essere reversibilmente acetilate e deacetilate da enzimi specifici (HAT acetilasi degli istoni, HDAC de-acetilasi dgli istoni) L acetilazione neutralizza la carica positiva eliminando l interazione con il DNA e rendendo meno facile la compattazione dei nucleosomi. Acetilazione degli istoni
Proteine non istoniche TUTTE QUELLE PROTEINE, ESCLUSI GLI ISTONI, CHE SONO ASSOCIATE CON IL DNA NELLA CROMATINA - Hanno carica negativa a ph fisiologico - Sono classificate in diversi gruppi: a) Proteine che regolano la trascrizione genica b) Enzimi e fattori attivi nella trascrizione, replicazione, ricombinazione, riparazione del DNA. c) Proteine che contribuiscono al mantenimento della struttura della cromatina dallo stato decondensato allo stato altamente compatto