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Nucleosoma

Cosa è il nucleosoma?

Il nucleosoma è una struttura fondamentale per permettere alla molecola lineare del DNA di compattarsi ed essere contenuta nel nucleo cellulare.

Rappresenta il primo livello di avvolgimento del DNA nonché l’elemento strutturale necessario per consentire anche i successivi avvolgimenti fino alla compattazione del materiale genetico nella forma dei cromosomi, durante la replicazione cellulare.

Le componenti principali del nucleosoma sono il DNA, ovviamente, e particolari proteine, molto conservate e dalla forte carica positiva, dette istoni. Gli istoni formano il telaio del nucleosoma, possiedono le giuste caratteristiche chimiche per permettere l’associazione del DNA e sono coinvolti nei processi di regolazione dell’espressione genica. Le porzioni di DNA non associate ad istoni sono considerate coinvolte nella replicazione, ricombinazione ed espressione genica.

Struttura cristallina del nucleosoma

Figura 1: Struttura cristallina del nucleosoma.

Composizione del nucleosoma

Il nucleosoma, come detto, è costituito da DNA e proteine istoniche. Gli istoni sono presenti sotto forma di cinque differenti molecole: istone H1, istone H2A, istone H2B, istone H3 e istone H4.

Di questi, tutti tranne gli H1 sono coinvolti nella composizione del core del nucleosoma. Gli istoni H1 invece sono responsabili della connessione tra i vari nucleosomi e le dinamiche di avvolgimento successivo del DNA. Il nucleosoma, infatti, permette una riduzione di 6 volte della lunghezza del DNA, importante ma non sufficiente alle esigenze di compattazione di questa lunga e fondamentale molecola biologica.

Il core del nucleosoma è composto da un tetramero formato da due eterodimeri di istoni H3 e H4 e altri due eterodimeri di H2A-H2B non tetramerizzati. Attorno al core del nucleosoma il DNA si avvolge per 1,7 giri coinvolgendo 147 coppie di basi.

Tra un nucleosoma e l’altro si può osservare una regione di DNA non avvolto, detto DNA linker, di lunghezza variabile tra 20 e 80 coppie di basi.

Nel complesso, il nucleosoma ha un diametro di circa 11 nm e la struttura del DNA che risulta così strutturata prende le caratteristiche del cosiddetto “filo di perle”, in cui le perle sono rappresentate appunto dai nucleosomi, uniti tra loro dai DNA – linker come farebbe il filo di  una collana.

Organizzazione del nucleosoma

Figura 2: organizzazione del nucleosoma e costituzione del "filo di perle".

Formazione del nucleosoma

Il processo di costituzione del nucleosoma segue uno schema di passaggi ben preciso: il primo step è rappresentato dalla formazione degli eterodimeri di proteine istoniche del tipo H3 e H4.

Successivamente il tetramero lega il DNA e solo in seguito si ha l’aggiunta degli altri due eterodimeri e la conseguente formazione del centro, o core, del nucleosoma.

A questo punto possono avvenire gli avvolgimenti del DNA attorno al core e la formazione del filo di perle. La connessione del DNA con gli istoni avviene grazie alla formazione di un elevatissimo numero di legami ad idrogeno, i quali vanno ad instaurarsi tra specifiche porzioni delle proteine istoniche e gli atomi di ossigeno coinvolti nel legame fosfodiesterico del DNA.

Il filo di perle è il primo grado di compattazione del DNA; le interazioni elettrochimiche tra gli istoni, soprattutto gli istoni di tipo H1 che non prendono parte al core del nucleosoma, e le altri componenti della catena, determinano ulteriori livelli di avvolgimento fino a raggiungere il livello massimo di condensazione rappresentato dal cromosoma.

Poiché la formazione e la compattazione del nucleosoma impedisce alle molecole coinvolte nella trascrizione del DNA di avere  accesso ai geni contenuti nei loci avvolti intorno al core, specifici processi di regolazione e modulazione del grado di avvolgimento rappresentano uno dei sistemi primari di regolazione dell’espressione genica.

Tale regolazione si esercita mediante una costante azione di modificazione della struttura dei nucleosomi stessi.

Modifiche alla struttura dei nucleosomi

Gli istoni del core del nucleosoma possiedono delle code N-terminali che sporgono al di fuori di esso. Tali porzioni delle proteine sono la sede delle modificazioni che coinvolgono il nucleosoma e modificano il grado di compattazione del DNA in esso contenuto, permettendone  la lettura e l’espressione dei geni di cui è portatore.

Il processo di allentamento e ricompattazione del DNA avviene costantemente. Tra una fase di allentamento e la successiva passano in media 250 millisecondi, per cui l’operazione si ripete ad un ritmo di circa quattro volte al secondo, con periodi in cui il DNA è allentato ed accessibile che durano solo alcune decine di millisecondi, tra dieci e cinquanta.

Il parziale svolgimento del DNA viene operato da numerosi complessi proteici che costituiscono le proteine non istoniche associate al DNA, che ne rappresentano la porzione numericamente maggiore.

Questi complessi proteici legano il core del nucleosoma e il DNA e operano il passaggio dalla forma compatta a quella allentata mediante idrolisi di ATP e formazione di ADP.

Complesso proteico di regolazione

Figura 3: Il complesso proteico di regolazione (in verde) modifica la struttura del nucleosoma per regolare l'espressione dei geni in esso contenuti. Il processo richiede ATP.

Il livello di modificazione che i nucleosomi possono subire è molto variabile e il grado di cambiamento delle proteine istoniche contribuisce alla regolazione dell’attività del nucleosoma: in casi particolari, alcuni gruppi enzimatici possono modificare porzioni di istone o addirittura effettuarne una totale rimozione e sostituzione.

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