Cromatina e trascrizione.
La cromatina è fatta da DNA e proteine che garantiscono il superavvolgimento. La cromatina deve stare in uno spazio molto piccolo. Non tutto il DNA deve essere ugualmente compattato, altrimenti sarebbe impossibile leggerlo. La cromatina serve a identificare quelle regioni di DNA trascrizionalmente attivo, dalle regioni di DNA che possono essere dimenticate perché non verranno utilizzate da quella cellula.
Il superavvolgimento consente un impaccamento di 3 volte. Le proteine istoniche che formano una sorta di rocchetto, consentono a 200 pb di attorcigliarsi attorno. Questo consente ulteriormente di risparmiare dello spazio. Queste trottole sono ripetute lungo il DNA e formano una struttura definita solenoide. Il nucleosoma è il rocchetto di proteine istoniche con attorno il DNA attorcigliato. Più nucleosomi formano il solenoide.
Il massimo grado di impaccamento in metafase permette di mettere 1000 nucleotidi dove prima ce n'era 1. Il grado di compattazione del DNA consente alla cellula di discernere quali geni devono essere accesi e quali spenti. Le regioni cromosomali trascrizionalmente attive sono dette eucromatina con interazione lassa DNA/proteine. Le regioni cromosomali trascrizionalmente inattive sono dette eterocromatina con massimo livello di compattazione. Tanto più è differenziata una cellula, tanta più eterocromatina ci sarà. Al contrario una cellula molto immatura, non differenziata presenta una grande quantità di aucromatina. Ci sono tutta una serie di stati funzionali in cui la percetuale di DNA compattato o lasso viene variata nel breve volgere di poche ore (ciclo vitale della cellula).
Come fa la cellula a stabilire il grado di interazione tra DNA e cromatina? Fondamentalmente agendo modificando al cromatina stessa, con modifiche dette epigenetiche. Le modifiche epigenetiche non riguardano la sequenze nucleotidica del DNA ma possono riguardare la struttura del DNA e della cromatina, intesa come interazione DNA-proteine. Queste alterazioni hanno ripercussioni sulla leggibilità del DNA.
Modifiche:
• Metilazione del DNA e delle proteine istoniche
• Acetilazione degli istoni della cromatina
• Fosforilazioni, ubiquitinazione, sumoilazioni
Tutte modifiche post-traduzionali create sulle proteine istoniche che altro non fanno che variare i rapporti relativi tra DNA e cromatina (grado di compattamento).
La metilazione è un meccanismo molto importante prima di tutto perché non tutto il DNA può essere metilato.
La metilazione avviene sempre su nucleotidi di citosina e in quali zone? Quelle contenute in ristrette aree in cui c'è un'elevata densità di ripetizioni citosina e guanina. Sono aree presenti nel promotore della maggior parte dei geni di cui siamo composti che vengono soggette a eventi di metilazione. Il risultato è un reclutamento di proteine tipiche della eterocromatina che non fanno altro che coprire il gene e impacchettarlo al massimo delle possibilità. Metilazione equivale a non leggibilità del DNA (eterocromatina).
La cellula mette una sorta di segnale su ciò che non va letto. La metilazione serve a impedire la lettura del DNA sia di geni che non servono ma anche come difesa genetica contro quelle sequenze potenzialmente nocive. All'interno del genoma sono presenti dei geni mobili, sequenze geniche probabilmente eredità di infezioni virali avvenute nei nostri ancestori. Sono sequenze di DNA che migrano all'interno del genoma, possono passare da un genoma all'altro, e eventualmente possono attivarsi determinando talvolta quadri patologici. Queste sequenze possono essere utili ma anche nocive e un modo per eliminarne i rischi è quello di metilarle. Altra cosa importante, la metilazione è ragione per l'ereditarietà di un programma. La duplicazione del DNA avviene con un processo definito semiconservativo, sul filamento materno sono presenti le citosine metilate e nel momento in cui vengono segregate nelle cellule figlie avranno un filamento metilato che funzionerà da stampo per le metiltransferasi che riconoscendo la citosina metilata su un filamento, metilerà anche l'altro.
Seguire il progredire di queste metilazioni partendo dalla cellula più indifferenziata (gamete, ovocita) e vedere quanta parte del genoma è metilato nelle diverse fasi dello sviluppo del gamete è molto interessante. Si è scoperto che le cellule germinali, precursori del gametocita, presentano il minimo livello di metilazione nelle proprie CPG island. Nella fase di fertilizzazione, nel momento in cui l'ovocita incontra lo spermatozoo c'è una fase di demetilazione passiva, le cellule vanno incontro a successivi cicli di metilazione senza che le metiltransferasi compiano alcun lavoro. Questo procede fino al livello della blastocisti. Da qui inizia il differenziamento nei tre foglietti embrionali.
Da qui inizia il programma differenziativo per creare cellule somatiche e c'è nuovamente un'impennata nei livelli di metilazione del DNA. Più la cellula è matura più alto sarà il suo livello di metilazione.
La metilazione comporta un mancato riconoscimento del DNA da parte degli attivatori della trascrizione, viene a essere legato da proteine che riconoscono le citosine metilate. Queste proteine servono a mascherare il DNA, formano dei macrocomplessi che si siedono sul DNA e impediscono ai fattori di trascrizione di interagire con esso. A questo collabora un altro meccanismo che riguarda la manipolazione della cromatina. Le proteine che riconoscono le citosine metilate portano con sé degli enzimi, questi vanno a modificare gli istoni rendendo più fitto l'avvolgimento del DNA attorno al rocchetto istonico. C'è uno step preparatorio che si gioca sul DNA (configurato dalla metilazione) e poi gli step successivo si giocano a livello del nucleosoma, proteine istoniche. Ci sono una serie di modifiche post-traduzionali che si verificano nel corso della vita di una cellula che hanno una ripercussione immediata nella disponibilità alla trascrizione. Enzimi che acetilano e diacetilano le proteine istoniche, che attaccano o staccano ubiquitine, che attaccano staccano sumoilasi, chinasi/fosfatasi. Il concerto di questi enzimi con azione positive e negative dà un risultato finale che è una sorta di codice, codice istonico. Dall'applicazione di questo codice istonico risulta se un determinato gene è disponibile alla lettura o viceversa è nella sua forma repressa non leggibile.