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 dip…
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.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How does DNA fit inside the nucleus of a cell?
Each human diploid cell contains approximately 2 meters of DNA that must fit inside a nucleus measuring only a few microns in diameter. DNA achieves this through hierarchical packaging: it first associates with histone proteins to form chromatin, then organizes into nucleosomes, which compact the DNA sevenfold. These nucleosomes further coil into 30-nm fibers and eventually condense into chromosomes, achieving an overall compaction ratio of approximately 1:10,000.
Q2: What is a nucleosome and what role does it play in DNA packaging?
A nucleosome is the basic structural and functional unit of chromatin, consisting of 147 base pairs of DNA wrapped around eight histone proteins. Under electron microscopy, nucleosomes appear as beads on a string along the chromatin fiber. The association of DNA into nucleosomes shortens DNA length sevenfold, representing the first major level of DNA compaction in the cell.
Q3: What is the solenoid model and how does it explain chromatin structure?
The solenoid model proposes that nucleosomes are arranged in a left-handed helical conformation with six or more nucleosomes per turn. This arrangement generates 30-nm fibers, named for their diameter of approximately 30 nanometers. The model explains how nucleosomes stack and coil to achieve further DNA compaction of approximately 50-fold, with the non-core histone H1 playing an essential role in stabilizing this structure.
Q4: How does chromatin structure change during the cell cycle?
Chromatin exists in different conformational states depending on cellular activity. Regions actively being transcribed or replicated exist in an extended beads-on-a-string form. During metaphase of the cell cycle, chromatin fibers coil further into loops of around 300 nanometers, then compress into 250-nanometer-wide coils, forming highly condensed structures called chromosomes. Once the cell divides, chromosomes uncoil again.
Q5: What is the function of histone H1 in chromatin packaging?
Histone H1 is a non-core histone protein that binds to each nucleosome after DNA wraps around the histone octamer. H1 changes the DNA path as it exits the nucleosome, helping to further compact the complex. In the absence of H1, chromatin fiber turns into irregular clumps of nucleosomes, demonstrating its essential role in organizing nucleosomes into higher-order 30-nm fiber structures.
Q6: What is the overall compaction ratio achieved when DNA is packaged into chromosomes?
The overall compaction ratio of DNA into the chromosome is approximately 1:10,000. This remarkable compression is achieved through multiple hierarchical levels: nucleosome formation reduces DNA length sevenfold, 30-nm fiber formation reduces it another 50-fold, and further coiling into loops and condensed structures during metaphase completes the packaging process.
Q7: How does chromatin packaging relate to gene activity in cells?
Chromatin packaging directly influences gene accessibility and expression. Chromatin regions that are actively being transcribed or replicated exist in an extended beads-on-a-string form, allowing access to transcription machinery. Conversely, any chromatin region not being actively accessed exists in the more compact 30-nm fiber form, making DNA less accessible. This dynamic regulation of chromatin structure controls which genes are expressed at any given time.