5.9: Imballaggio della cromatina

Ogni cellula somatica umana contiene 6 miliardi di paia di basi di DNA. Ciascuna coppia di basi è lunga 0,34 nm, il che significa che ogni cellula diploide contiene l'incredibile cifra di 2 metri di DNA. Come è possibile che un filamento di DNA così lungo sia racchiuso all'interno di un nucleo che misura solo 10-20 micron di diametro?

La cromatina

In combinazione con proteine specializzate che legano il DNA chiamate istoni, la doppia elica del DNA forma un complesso proteico compatto chiamato cromatina. La cromatina stessa viene ulteriormente compattata in strutture di ordine superiore. Il massimo livello di compattazione si ottiene durante la metafase del ciclo cellulare, dove la cromatina si condensa per formare i cromatidi di un cromosoma.

Nucleosomi

I nucleosomi sono l’unità funzionale e ripetitiva di base della cromatina. Un nucleosoma è costituito da 8 proteine istoniche avvolte da 147 paia di basi di DNA. Al microscopio elettronico, la cromatina appare come una struttura simile a perline su un filo a causa della presenza di nucleosomi lungo la sua lunghezza. Questo imballaggio accorcia la lunghezza della fibra di sette volte.

Modello con solenoide

I nucleosomi sono ulteriormente avvolti in fibre da 30 nm, così chiamate per il loro diametro di circa 30 nm. Tale compattazione è spiegata da un'ipotesi ampiamente accettata: il modello del solenoide. Un solenoide si riferisce alla struttura di un filo avvolto su un asse centrale. Questo modello propone che i nucleosomi siano disposti in una conformazione elicoidale sinistrorsa con sei o più nucleosomi per giro. Una delle proteine istoniche non centrali, H1, svolge un ruolo essenziale nella compattazione del nucleosoma; in sua assenza la fibra della cromatina si trasforma in grumi irregolari di nucleosomi.

Il confezionamento della cromatina è un'area attiva di ricerca. I nuovi dati emergenti hanno consentito agli scienziati di considerare la cromatina e i nucleosomi non come strutture altamente definite, ma piuttosto come un continuum di varie conformazioni interconvertibili in tutte le fasi di confezionamento della cromatina.

Ogni cellula diploide umana contiene circa due metri di DNA, compresso all'interno di un piccolo nucleo di pochi micron di diametro. La disposizione e l'avvolgimento del DNA all'interno del nucleo è, quindi, altamente organizzato e strettamente regolato. In primo luogo, il DNA cromosomico è associato a proteine istoniche per formare una struttura chiamata cromatina.

L'unità strutturale e funzionale di base della cromatina è chiamata nucleosoma. L'associazione del DNA nei nucleosomi accorcia di circa sette volte la lunghezza del DNA;successivamente, una proteina dell'istone non-core, chiamata H1, si lega ad ogni nucleosoma. L'istone H1 cambia la sequenza del DNA mentre esce dal nucleosoma, aiutando a compattare ulteriormente il complesso.

I nucleosomi vengono quindi impilati uno sopra l'altro, generando una fibra più corta e più spessa con un diametro di 30 nanometri, nota come fibra a 30 nanometri. La disposizione dei nucleosomi nella fibra a 30 nanometri è spiegata da un modello solenoide ampiamente accettato. Il modello propone che i nucleosomi siano disposti in una conformazione a elica sinistrorsa, con sei o più nucleosomi per svolta;la lunghezza del Dna, si riduce così ulteriormente di 50 volte.

Qualsiasi regione cromatinica che non è attivamente trascritta o replicata esiste nella forma di fibra a 30 nanometri. D'altra parte, le regioni cromatiniche che sono attivamente accessibili esistono in una forma estesa a collana di perle. Le fibre a 30 nanometri sono avvolte ulteriormente per formare anelli di circa 300 nanometri di lunghezza;queste fibre vengono quindi compresse in anlli larghi 250 nanometri.

In un secondo tempo, durante la metafase del ciclo cellulare, le fibre cromatiniche formeranno strutture altamente condensate, chiamate cromosomi. Il rapporto complessivo di compattazione del DNA nel cromosoma è di circa 1 a 10, 000. Una volta che la cellula si divide, il cromosoma si apre nuovamente.