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Istoni

Che cosa sono gli istoni?

Gli istoni sono molecole proteiche strettamente associate al DNA, di natura basica e coinvolte nella determinazione della struttura della cromatina e nella regolazione dell’espressione genica.

Sono molecole piccole e altamente conservate nei viventi, presenti negli Eucarioti e negli Archeòbatteri ma non negli Eubatteri.

La basicità degli istoni è data dalla presenza di elevati quantitativi di amminoacidi di carica positiva, specialmente Arginina e Lisina, sulle porzioni collocate alla loro estremità.

L’interazione con il DNA è dovuta proprio all’elevata carica positiva, che consente la formazione di legami non covalenti con i gruppi fosfato carichi negativamente di cui il DNA è ricco. La sintesi degli istoni avviene durante la fase S del ciclo cellulare ed essi sono immediatamente incorporati nel filamenti di acidi nucleici neoformati.

Tipi di Istoni

Le proteine istoniche, che rappresentano oltre il 90% della componente proteica della cromatina, sono essenzialmente classificabili in cinque categorie: gli istoni delle categorie H2A, H2B, H3 e H4 sono coinvolti nella formazione dei nucleosomi, mentre gli istoni H1 determinano le interazioni tra i vari nucleosomi.

A queste cinque classi principali, vanno poi ad aggiungersi alcuni istoni che possono sostituire i principali in caso di particolari necessità.

Ruolo e funzione degli istoni

Gli istoni svolgono due compiti di estrema importanza per il funzionamento della cellula

  • un ruolo strutturale;
  • un ruolo funzionale.

Il ruolo strutturale degli istoni è determinato dalla loro capacità di impacchettare e condensare il DNA, facendo si che una molecola dalla lunghezza lineare di circa due metri venga raggruppata in una ammasso di cromatina del diametro di appena cinque nanometri. Tale funzione strutturale è consentita dalla interazione delle proteine istoniche con il DNA e la formazione dei cosiddetti nucleosomi.

Se infatti distendessimo il DNA in maniera lineare, questo apparirebbe strutturato come un filo di perle, in cui le perle sono rappresentate, per l’appunto, dai nucleosomi.

La porzione di DNA che collega un nucleosoma ad un altro è rappresentata da DNA non protetto, che può essere attaccato dalle nucleasi per permettere la denaturazione della molecola, così da cosentire lo studio nel dettaglio dei singoli nucleosomi.

I nucleosomi rappresentano solo il primo livello di condensazione del DNA operato dagli istoni. Gli istoni H1 infatti sono responsabili di ulteriori livelli di impacchettamento attraverso l’interazione reciproca dei nucleosomi tra di loro e con le porzioni libere del DNA.

Oltre alla funzione strutturale, gli istoni giocano un importante ruolo anche nella regolazione dell’espressione genica, operata mediante modificazioni selettive della composizione chimica degli istoni stessi che viene interpretata dalla cellula secondo uno specifico codice.

Organizzazione a “filo di perle” della cromatina

Figura 1: Organizzazione a “filo di perle” della cromatina.

I nucleosomi

Come detto, i nucleosomi rappresentano il primo livello di condensazione del DNA e sono considerati l’unità strutturale della cromatina. Un nucleosoma è costituito da un core, formato da 1,7 giri di DNA (circa 150 basi) avvolti intorno ad un ottamero proteico costituito da 4 coppie di unità istoniche differenti (H2A, H2B, H3 e H4), e due regioni di legame costituite da corte sequenze di DNA che non interagiscono con gli istoni dell’ottamero.

Queste regioni di DNA esposte, sono legate a un proteina istonica di tipo H1. L’ottamero si forma spontaneamente in presenza di DNA; la formazione del core si genera attraverso una sequenza di fasi: la prima fase prevede la formazione di un tetramero costituito da due dimeri di H3-H4. Il tetramero interagisce con il DNA iniziando un primo abbozzo di avvolgimento. La struttura ibrida che si genera permette il legame di altri due dimeri di H2A-H2B e il completamento del nucleosoma.

Gli istoni H1 fanno da ponte, interagendo con le porzioni di DNA linker e legandole agli ottameri, riconoscendo specifiche sequenze di entrambe le strutture. Questa interazione causa l’avvicinamento dei nucleosomi e quindi un secondo livello di impacchettamento. Inoltre gli istoni H1 possono interagire anche con gli altri H1 limitrofi e quindi operare la condensazione del DNA  su più livelli successivi.

La prima spiralizzazione operata dagli istoni H1 infatti riesce a condensare la cromatina fino a ad diametro di 30 nm, la fosforilazione degli amminoacidi Serina permette di spiralizzare ulteriormente il materiale fino ad un diametro di soli 5 micron.

Istoni

Figura 2: Gli istoni determinano un progressivo condensamento dela DNA a livelli crescenti.

Struttura degli istoni

Gli istoni del core e gli istoni H1 hanno strutture differenti. Quelli del core sono formati da una regione estremamente conservata, sia tra i differenti tipi di istoni che tra gli istoni di specie differenti, costituita da due domini: un dominio “fold”, conservato, formato da tre ɑ-eliche separate da regioni di legame, e una coda basica N-terminale che invece non è conservata e i cui amminoacidi possono essere soggetti a intense modificazioni post traduzionali con l’aggiunta o la rimozione di diversi sostituenti in specifici siti di legame.

Gli istoni H1 sono invece strutturati con un dominio globulare che interagisce con la porzione di DNA linker interposta tra due core nucleosomici e due braccia polari, flessibili, che interagiscono con i nucleosomi adiacenti modulando il livello di compattazione.

Struttura degli istoni core

Figura 3: Struttura degli istoni core. Nell'immagine sono rappresentati i siti in cui possono avvenire le modifiche post traduzionali (p=fosforilazione; ac= acetilazione, rib=ribosilazione; m=metilazione).

Regolazione epigenetica dell’espressione genica

Sebbene un tempo gli istoni erano ritenuti molecole ad azione specificamente strutturale, è oggi evidente che si tratti di componenti plastiche coinvolte intimamente nella regolazione dell’espressione di geni. Le modificazioni che possono intervenire sulla struttura delle code degli istoni core (metilazioni, acetilazioni, fosforilazioni e ribosilazioni) sono evidentemente connesse all’attivazione o riduzione dell’espressione di porzioni di genoma.

In particolare si è osservato come la acetilazione o de-acetilazione di specifiche regioni istoniche sia direttamente collegata alla attivazione o repressione (rispettivamente) di alcuni geni.

Altre forme di regolazione avvengono mediante la sostituzione delle proteine istoniche tradizionali con altre simili, con conseguenze importanti sull’attivazione di processi cellulari specifici come ad esempio la riparazione del DNA danneggiato.

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