Cromosomi Flashcards
Perche il DNA deve essere condensato?
Una tipica cellula somatica (quindi diploide) umana contiene una quantità di DNA corrispondente a circa 6,4 miliardi di coppie di basi (o coppie di nucleotidi), suddivisa in 46 cromosomi. Poiché ciascuna coppia di basi occupa circa 0,34 nm di lunghezza nella molecola di DNA, 6,4 miliardi di coppie di basi/nucleotidi corrisponderebbero a un’unica molecola di DNA lunga circa due metri; dato che ogni cromosoma eucariotico è costituito da una singola molecola di DNA lineare, nelle cellule umane ciascuna di queste molecole può misurare oltre i 10 cm e deve essere contenuta in un nucleo il cui diametro normalmente è compreso tra 5 e 10 µm. In qualche modo, tutto questo DNA deve essere efficientemente impacchettato nelle cellule.
Geni, cromatina, cromosomi
I genomi dei procarioti sono contenuti generalmente in singole molecole di DNA circolare. Diversamente, i genomi degli eucarioti sono costituiti da cromosomi multipli, ciascuno corrispondente a una lunga molecola di DNA lineare. Sebbene il numero e le dimensioni dei cromosomi varino in modo considerevole tre specie differenti, la loro struttura di base è simile in tutti gli eucarioti. Il DNA che porta l’informazione genetica, all’interno del nucleo, si associa a numerose proteine che sono essenziali sia all’organizzazione spaziale (proteine istoniche), sia nella regolazione funzionale del DNA (proteine non istoniche). Nel suo insieme, il macro-complesso DNA-proteine presente nel nucleo – per la sua propensione a legare numerosi coloranti impiegati in microscopia ottica – è definito cromatina. Quando una cellula non è in divisione (quindi, quando è in interfase), la cromatina occupa la maggior parte del volume nucleare e si trova sotto forma di lunghi e sottili filamenti parzialmente srotolati; al momento della divisione cellulare, le fibre di cromatina di ripiegano e si condensano notevolmente a formare i cromosomi.
Eucromatina
- L’eucromatina caratterizzata da scarsa colorabilità, che contiene una quantità maggiore di proteine non istoniche, è modellata in strutture sottili poiché è poco condensata (o più distesa) ed è funzionalmente contraddistinta da un’intensa attività trascrizionale.
Eterocromatina
- L’eterocromatina, riconoscibile per un’intensa colorazione, è la forma di cromatina che rimane altamente condensata, che invece è tipica di quelle porzioni genomiche temporaneamente (eterocromatina facoltativa) oppure costitutivamente (eterocromatina costitutiva) inattive dal punto di vista trascrizionale.
Eterocromatina costitutiva
L’eterocromatina costitutiva rimane nello stesso stato condensato in tutti gli stadi del ciclo cellulare di tutte le cellule di un organismo e rappresenta quindi DNA permanentemente silenziato. Nelle cellule di mammifero, la maggior parte dell’eterocromatina costitutiva è localizzata in corrispondenza delle regioni del centromero e dei telomeri di ciascun cromosoma. Il DNA dell’eterocromatina costitutiva consiste principalmente di sequenze ripetute (che vengono indicate come DNA satellite) e contiene un numero relativamente basso di geni.
Eterocromatina facoltativa
eterocromatina facoltativa corrisponde invece a porzioni di cromatina che sono state specificamente inattivate durante determinate fasi della vita di un organismo o in certi tipi di cellule differenziate. Un esempio di eterocromatina facoltativa è rappresentato da uno dei due cromosomi X nelle cellule somatiche delle femmine di mammifero, dove solo uno dei due cromosomi X è trascrizionalmente attivo, l’altro rimane sempre condensato sotto forma di eterocromatina facoltativa, chiamato corpo di Barr (l’inattivazione di uno dei due cromosomi X è casuale).
Istoni
Le proteine più abbondanti associate al DNA sono gli istoni, che contengono un’elevata percentuale di amminoacidi basici (Arg e Lys) e, di conseguenza, al pH dell’ambiente intracellulare presentano una carica positiva che facilita il legame elettrostatico alle cariche negative dei gruppi fosfato. Alla famiglia degli istoni appartengono cinque classi di proteine: H1, H2A, H2B, H3 e H4.
Nucleosoma
Gli istoni sono responsabili del primo livello di organizzazione della cromatina, il nucleosoma, l’unità strutturale di base in cui due molecole di ciascun istone H2A, H2B, H3 e H4 si assemblano per formare un complesso a forma di disco detto ottamero istonico, sul quale si avvolge un tratto di DNA lungo 147 nucleotidi, formando la cosiddetta particella nucleosomica centrale (nucleosoma). Ogni particella nucleosomica è collegata alla successiva da un tratto di DNA di connessione, o DNA di collegamento (DNA linker) la cui lunghezza è variabile tra 10 e 80 paia di basi, a seconda della specie e del tipo di cellula.
Compattamento DNA
Il compattamento del DNA con gli istoni produce una fibra di cromatina di circa 10 nm di diametro che, osservata al TEM, appare come una specie di “collana di perline”, dove ciascuna “perla” è rappresentata da una particella nucleosomica e il filo che collega le “perle” è il DNA di connessione. Il compattamento del DNA in questo filamento nucleosomico riduce la sua lunghezza di circa sei volte, realizzando così un primo livello di impacchettamento del DNA. Nella cellula viva, la maggior parte della cromatina interfasica adotta raramente la forma distesa della collana di perle (fibra di 10 nm) e la maggior parte della cromatina interfasica è compattata in una fibra cromatinica di 30 nm di diametro, che in alcune zone mostra un grado superiore di avvolgimento ad ansa. La formazione della fibra di 30 nm dipende sia dalle interazioni tra le code degli istoni di una particella nucleosomica con quelle delle particelle adiacenti sia dall’entrata in gioco dell’istone H1, che è localizzato fuori dalla particella nucleosomica centrale ed è definito istone di connessione o di collegamento.
Il livello successivo di impacchettamento della cromatina è rappresentato dall’ulteriore ripiegamento della fibra di 30 nm per formare dei domini d’ansa, che costituiscono una fibra di 300 nm. Le anse, infine, si compattano e ripiegano per dare il cromosoma che rappresenta il massimo livello di condensazione.
Cromatina in interfase
Durante il ciclo cellulare la cromatina subisce notevoli cambiamenti del suo grado di compattazione. Nell’interfase i cromosomi sono distesi e formano nel nucleo una matassa di DNA filamentoso, non facilmente distinguibile al microscopio ottico; in questo stato relativamente lasso si chiamano cromosomi interfasici. Lo stato relativamente disperso della cromatina in una cellula in interfase favorisce le attività tipiche dell’interfase, quali la replicazione e la trascrizione del DNA. Tuttavia, anche durante l’interfase, la cromatina di ciascun cromosoma occupa una specifica zona del nucleo, cioè è organizzata in territori cromosomici, in modo che un cromosoma non si attorcigli estesamente su un altro.
Cromatina in fase M
La cromatina di una cellula che si divide, invece, è nella sua forma più condensata, per favorire la trasmissione di un corredo di DNA intatto a ciascuna cellula figlia. Infatti, perché un cromosoma possa funzionare, non basta che la molecola di DNA veicoli semplicemente i geni: deve anche replicarsi e le copie si devono separare e distribuire in modo affidabile tra le cellule figlie a ogni divisione cellulare. Questi processi avvengono a tappe, secondo un programma predeterminato che costituisce il ciclo cellulare. I cromosomi compatti sono definiti cromosomi mitotici, o metafasici (dalla fase della mitosi, o meiosi, dove raggiungono il massimo grado di condensazione), e assumono una forma ben distinta, determinata soprattutto dalla lunghezza della molecola di DNA e dalla posizione del centromero e sono visibili a microscopio ottico. La condensazione dei cromosomi mitotici è il risultato di diversi ordini di ripiegamento delle fibre cromatiniche di 30 nm.
Al momento della divisione cellulare (mitosi o meiosi) i cromosomi hanno già attraversato la fase S del ciclo cellulare ed hanno replicato il loro DNA. Per questo i cromosomi metafasici sono strutture duplicate: ogni cromosoma metafasico consiste di due cromatidi fratelli identici, costituiti ciascuno da una molecola di DNA associata a proteine, che sono uniti in una porzione delimitata chiamata centromero. Il centromero tiene uniti i cromatidi fratelli fino alla divisione cellulare e, inoltre, assicura la corretta distribuzione dei cromosomi duplicati tra le cellule figlie durante la divisione cellulare (mitosi o meiosi), costituendo il sito di attacco per i microtubuli del fuso mitotico
Centromero
Il centromero non occupa la stessa posizione in tutti i cromosomi e divide ogni cromatidio in due bracci, la cui lunghezza dipende dalla posizione del centromero: p (corto) e q (lungo). La posizione del centromero, facilmente riconoscibile in metafase, consente di distinguere quattro tipi di cromosomi:
- metacentrici. Centromero in posizione mediana (circa a metà del cromosoma), bracci di quasi uguale lunghezza;
- submetacentrici. Centromero in posizione submediana (cioè, prossimale ad una delle due estremità), bracci p più brevi dei q;
- acrocentrici. Centromero in posizione subterminale, bracci p molto brevi;
- telocentrici. Centromero in posizione terminale, il cromosoma è costituito solo da un paio di bracci.
Telomeri
Oltre al centromero, gli altri elementi essenziali di un cromosoma eucariotico sono i telomeri, presenti in duplice copia. I telomeri sono sequenze altamente ripetute eterocromatiche all’estremità dei cromosomi, il cui ruolo è quello di stabilizzare la funzionalità e la lunghezza del cromosoma.
Cariotipo
Ogni specie possiede un corredo cromosomico caratteristico per numero, forma e dimensioni dei cromosomi metafasici, che è definito cariotipo. Per studiare il corredo cromosomico di una specie si fa riferimento ai cromosomi metafasici poiché proprio in quella fase del ciclo cellulare essi risultano maggiormente condensati e facilmente identificabili. La ricostruzione del cariotipo è effettuata attraverso la costruzione del cariogramma, cioè la rappresentazione schematica del cariotipo ottenuta appaiando i cromosomi metafasici omologhi e ordinandoli secondo un sistema di classificazione. Uno dei criteri tiene conto delle immagini che si ottengono dalle tecniche di bandeggio; sono metodiche di colorazione dei cromosomi che utilizzano sostanze in grado di colorare specifiche regioni (bande) in modo più evidente di altre. Il bandeggio che ne deriva è specifico e costante per ogni coppia di cromosomi omologhi e permette di ricostruire il cariotipo, evidenziando anche eventuali anomalie cromosomiche sia di numero sia di struttura.
