5.6: Il nucleosoma

Il DNA di una cellula umana è lungo quasi 2 metri ed è racchiuso in un minuscolo nucleo di solo pochi micron di diametro. Il livello di compattazione del DNA all'interno del nucleo è sorprendente. È organizzato in diversi livelli di compattazione sequenzialmente più alti per adattarsi a uno spazio così piccolo. La forma più compatta di DNA è un cromosoma che può essere visto al microscopio in una cellula in divisione.

Il DNA è avvolto due volte attorno a un complesso proteico chiamato nucleo istonico, costituito da 8 proteine istoniche. Questo complesso di DNA e proteine istoniche è chiamato nucleosoma, l'unità fondamentale e funzionale della compattazione del DNA. I nucleosomi possono ulteriormente avvolgersi su se stessi in una compattazione di ordine superiore.

Quando il DNA viene estratto da cellule in condizioni di basso contenuto salino ed esaminato al microscopio, assomiglia alle perle di un filo. La stringa rappresenta il DNA libero chiamato "DNA linker", che collega i nucleosomi simili a perline. Se il DNA viene isolato in condizioni fisiologiche saline (0,15 M KCl), assume una forma fibrosa con un diametro di 30 nm che si lega a H1, una proteina non istonica. La proteina H1 si lega strettamente ad entrambi i nucleosomi e non consente al DNA di scivolare.

Gli istoni sono proteine altamente conservate

Le sequenze di amminoacidi delle proteine istoniche centrali sono altamente conservate tra specie lontanamente imparentate. Ad esempio, la sequenza amminoacidica dell'istone H3 tra il timo, il vitello e la pianta di pisello presenta solo quattro differenze di amminoacidi.

Proteine non istoniche

Il complesso dei nucleosomi è anche legato da una piccola percentuale di proteine non istoniche, che aiutano a mantenere la compattazione e ad organizzare lunghi anelli di cromatina. Le proteine non istoniche sono anche coinvolte nella regolazione della replicazione del DNA e della sintesi dell'RNA.

Le proteine svolgono un ruolo chiave nel determinare la struttura fisica di un cromosoma. Le più abbondanti di queste sono piccole, caricate positivamente e vengono definite istoni. La carica positiva consente loro di associarsi strettamente al DNA caricato negativamente.

Durante alcuni stadi del ciclo cellulare, il DNA è avvolto strettamente intorno a specifici tipi di istoni, e forma strutture chiamate nucleosomi. I nucleosomi sono spesso descritti come perle su una stringa di DNA. Un nucleosoma consiste di alcuni elementi chiave:il primo elemnto è un ottamero di proteine istoniche, due molecole ciascuna di H2A, H2B, H3 e H4.Un nucleosoma, inoltre, ha una lunghezza di 145-147 paia di basi di DNA avvolte intorno all'ottamero istonico quasi due volte.

Insieme, l'ottamero istonico e il DNA avvolto intorno ad esso vengono definiti particella di nucleo nucleosomico. Ciascuno degli istoni nella particella di nucleo nucleosomica ha una piccola coda carica positivamente costituita da di 11 a 27 amminoacidi. Le code si estendono dalla particella nucleo nucleosomica e aiutano a mantenere il DNA e gli istoni associati caricati negativamente.

Inoltre, le code istoniche possono interagire con le code dalle particelle nucleairi vicine, il che facilita il confezionamento del DNA. Un quinto tipo di istone, H1, gioca un ruolo chiave nella struttura nucleosomica, anche se non fa parte della particella nucleo nucleosoma. H1 si lega al DNA dove si unisce e poi lascia l'ottamero, agendo come stabilizzatore per mantenenere il DNA in posizione.

Infine, il nucleosoma comprende anche il tratto del DNA linker adiacente alla particella del nucleo nucleosomico. Il DNA linker che separa ogni particella nucleare può variare in lunghezza, tra i vari tipi di cellule, da circa 30 a 40 coppie di basi. Mentre i termini nucleosoma"e particella nucleo nucleosomica"sono spesso utilizzati in modo intercambiabile, il nucleosoma in realtà si riferisce alla particella nucleo nucleosomica e al DNA linker adiacente.

Complessivamente, i nucleosomi sono in grado di ridurre una lunga molecola di DNA, ad un filo di cromatina lungo circa un terzo della sua lunghezza originale.