Genetica (7/8): Il genoma negli eucarioti

La cromatina è formata da DNA avvolto su istoni (nucleosoma) e da proteine non-istoniche.
La cromatina cambia molte volte durante il ciclo cellulare.
I cromosomi eucariotici contengono molto DNA rispetto alle loro dimensioni, ciascun cromosoma infatti è costituito da un'unica doppia elica di DNA che nell'uomo contiene circa 2*10⁸ paia di basi, se la molecola di DNA fosse distesa sarebbe lunga circa 6cm.

Gli istoni sono i responsabili del primo livello dell'impacchettamento del DNA, la quantità di istoni nella cromatina è circa uguale alla quantità di DNA.
Gli istoni possiedono amminoacidi con carica positiva che per questo legano col DNA che ha carica negativa.
Il complesso DNA-istroni rappresenta la struttura base della cromatina, e negli eucarioti esistono 5 tipi di istoni molto simili tra di loro.

La cromatina non ripiegata assomiglia ad una collana di perle, dove ciascuna perla costituisce il nucleosoma, l'unità fondamentale di impacchettamento del DNA.
Il nucleosoma è costituito da DNA avvolto intorno ad un core proteico in cui sono presenti 2 molecole di ciascuno dei 4 istoni diversi (H2A, H2B, H3 e H4), mentre la quinta molecola di istone H1 si lega in prossimità della perla quando la cromatina assume il successivo livello di impacchettamento.
Gli istoni abbandonano temporaneamente il DNA durante la replicazione e invece rimangono uniti ad esso durante la trascrizione.
I nucleosomi modificando la loro forma e la loro posizione permettono alle polimerasi che sintetizzano l'RNA di muoversi lungo il DNA.

Grazie all'istone H1, la collana di perle può avvolgersi strettamente fino a formare una fibra di circa 30 nm nota come fibra di cromatina 30 nm.

La fibra di cromatina 30nm forma a sua volta delle anse chiamate domini ad ansa che fungono da impalcatura cromosomica costituita da proteine non istoniche.

I domini di ansa si avvolgono e si ripiegano ulteriormente fino a formare il caratteristico cromosoma.
Se la cromatina che costituisce parti del cromosoma è molto condensata, tanto da poter esser vista dal microscopio ottico, essa viene chiamata eterocromatina, mentre quella meno compatta è detta eucromatina.

L'organizzazione del genoma a livello del DNA

I geni costituiscono solo una piccola parte del genoma nella maggior parte degli organismi eucariotici pluricellulari, mentre il DNA ripetitivo e altre sequenze non codificanti rappresentano la maggior parte del genoma eucariotico (97%), al contrario dei procarioti, dove la maggior parte del DNA del genoma codifica proteine, e la sequenza nucleotidica codificante di un gene procariotico procede dall'inizio alla fine senza interruzioni.

Il DNA ripetitivo è costituito da sequenze nucleotidiche presenti in più copie nel genoma, di solito non all'interno dei geni.
Nei mammiferi circa il 10-15% del genoma è costituito da DNA ripetitivo tandem (o DNA satellite), brevi sequenze ripetute in serie (es: GTTACGTTACGTTAC...), ripetizioni di solito non più lunghe di 10 paia di basi, con densità spesso diversa da quella del resto del DNA.
Il DNA satellite viene classificato in 3 tipi a seconda della lunghezza totale in ciascun sito: DNA satellite regolare (100000-10milioni basi), DNA minisatellite (100-100000 basi), DNA microsatellite (10-100 basi).
Gran parte del DNA satellite è localizzato nei centromeri e nei telomeri, suggerendo che deve essere implicato in ruoli strutturali e data la sua posizione serve per proteggere il cromosoma dalla degradazione o dall'accorciamento che causerebbero la perdita di geni codificanti, inoltre il DNA ripetitivo tandem può allungarsi nel corso di varie generazioni.
Il DNA ripetitivo disperso è quel DNA in cui le unità ripetute non sono vicine l'una all'altra, ma disperse nel genoma.
Il DNA ripetitivo disperso rappresenta circa il 25-40% del genoma nella maggior parte dei mammiferi (e sono quasi tutte sequenze di trasposoni) e nell'uomo ci sono sequenze simili di questo DNA dette elementi Alu, l'unico DNA ripetitivo codificante.

Un'insieme di geni identici o molto simili è chiamato famiglia multigenica, e queste famiglie possono essere considerate come DNA ripetitivo costituito da unità/geni ripetute.
Le famiglie multigeniche costituite da geni identici solitamente producono RNA.
Probabilmente le famiglie di geni originano da un singolo gene a causa degli errori avvenuti durante la duplicazione del DNA.
Gli pseudogeni hanno sequenze molto simili ai geni normali, ma non generano prodotti funzionali.

Salvo rare mutazioni, la sequenza nucleotidica del DNA di un organismo rimane costante per tutto il corso della sua vita, e quando avvengono mutazioni in cellule somatiche, queste non vengono cmq trasmesse alla prole, dato che non si tratta di geni di gameti.

In alcuni casi, il numero di geni può temporaneamente aumentare, e la replicazione selettiva di certi geni, detta amplificazione genetica, è un potente mezzo per incrementare l'espressione dei geni, e ciò può avvenire a seconda delle necessità, per produrre ad esempio più ribosomi da usare al momento e poi far degradare.

Il riagganciamento del genoma si ha con il rimescolamento di lunghi tratti del DNA che causano amplificazione o perdita di geni.
Tutti gli organismi possiedono i trasposoni (10% nel genoma umano), tratti di DNA che sono in grado di spostarsi all'interno del genoma, e quando un trasposone salta in un gene che sta codificando, può bloccarlo.
I retrotrasposoni sono elementi trasponibili che si spostano nel genoma per mezzo di RNA intermedio, un trascritto del DNA del retrotrasposone, dove per inserirsi in un altro sito, questo RNA deve essere riconvertito tramite la trascrittasi inversa.
Gli elementi Alu sono retrotrasposoni che non codificano la trascrittasi inversa, ma possono spostarsi utilizzando enzimi codificanti da altri retrotrasposoni del genoma.
Il riordinamento permanente di porzioni di DNA avviene nel sistema immunitario in via di sviluppo durante la differenziazione cellulare, e ciò è importante per l'efficacia degli anticorpi o immunoglobuline.

Il controllo dell'espressione genica

Ogni cellula di un organismo eucariotico pluricellulare esprime solo una piccola parte dei propri geni, inoltre, le cellule di un organismo devono continuamente accendere o spegnere certi geni in risposta ai segnali provenienti dall'ambiente interno o esterno.
L'espressione genica viene controllata inoltre a lungo termine dalla differenzazione cellulare, il processo in cui le cellule, attraverso cambiamenti di forma e funzione, si specializzano durante lo sviluppo di un organismo.

La cromatina serve sia per impacchettare il DNA in una forma compatta in modo che esso stia nel nucleo della cellula, sia per regolare lo stato fisico del DNA di un gene o di una regione adiacente, cosa importante per determinare la disponibilità del gene per la trascrizione, la quale è anche influenzata dalla localizzazione del gene stesso.

La metilazione del DNA consiste nell'aggiunta di gruppi metilici (-CH₃) alle basi del DNA dopo che è stato sintetizzato, e ciò sembrerebbe una caratteristica dell'inattività dei geni, tanto che se questi vengono demetilazionati, si riattivano.

L'acetilazione degli istoni consiste nell'aggiunta di gruppi acetile (-COCH₃) a certi amminoacidi delle proteine istoniche, e quando gli istoni vengono acetilati, cambiano forma in modo da legarsi meno strettamente al DNA, in modo che le proteine della trascrizione hanno un accesso facilitato ai geni acetilati.

La trascrizione
L'inizio della trascrizione è il punto di controllo più importante e maggiormente utilizzato dell'espressione genica.
Gli elementi di controllo sono dei segmenti di DNA non codificante che contribuiscono alla regolazione della trascrizione di un gene tramite il legame di alcune proteine, i fattori di trascrizione.
I fattori di trascrizione sono essenziali per la trascrizione di tutti i geni che codificano proteine, e solo uno di questi fattori riconosce una sequenza di DNA, il TATA box all'interno del promotore, gli altri riconoscono proteine.
Solo quando è completato l'assemblaggio del complesso d'inizio, la polimerasi può iniziare la codifica.
Gli elementi di controllo aumentano l'efficienza dei promotori tramite il legame di fattori di trascrizione aggiuntivi.
Gli elementi di controllo lontani dal promotore sono detti intensificatori, i quali possono essere distanti migliaia di nucleotidi.
L'attivatore è un fattore di trascrizione che si lega ad un elemento intensificatore stimolando la trascrizione di un gene (allo stesso modo esistono anche i silenziatori).
Il controllo diretto della trascrizione dipende in gran parte da proteine regolatrici che si legano selettivamente al DNA e ad altre proteine, e quindi un fattore di trascrizione possiede solitamente un dominio di legame per il DNA e uno per le proteine.
Gli elementi di controllo contengono sequenze costituite da 4 a 10 coppie nucleotidiche.
I geni dell'operone vengono trascritti in sequenza in una singola molecola di mRNA e vengon quindi tradotti assieme.
L'espressione coordinata dei geni eucariotici dipende dall'associazione di uno specifico elemento di controllo o un insieme, con ciascun singolo gene del gruppo disperso.
In linea di massima: i geni che possiedono gli stessi elementi di controllo vengono attivati dagli stessi segnali chimici.

Meccanismi post-trascrizionali
Una cellula può regolare velocemente l'espressione genica in risposta a modificazioni ambientali, senza che si abbia l'alterazione della trascrizione.
Lo splicing alternativo dell'RNA si ha quando dallo stesso trascritto primario vengono prodotte molecole diverse di mRNA, a seconda di quali segmenti dell'RNA sono considerati esoni o introni.
Le fasi dell'espressione genica che possono essere regolate sono:

Regolazione della degradazione dell'mRNA: l'mRNA negli eucarioti vive da poche ore fino ad alcune settimane, la sua degradazione inizia con l'accorciamento enzimatico della coda poli(A) e ciò favorisce la rimozione del cappuccio al 5', facendo digerire l'mRNA dalle nucleasi.
Controllo della traduzione: la maggior parte dei meccanismi di controllo blocca la fase d'inizio della sintesi polipeptidica, quando le subunità ribosomiali ed il tRNA d'inizio si legano ad un mRNA.
La traduzione di mRNA specifici può essere bloccata da proteine regolatrici che impediscono l'attacco dei ribosomi.
Maturazione e degradazione delle proteine: I polipeptidi eucariotici devono spesso essere modificate per poter produrre molecole proteiche funzionali, e la regolazione può avvenire in qualsiasi delle tappe della modificazione o il trasporto della proteina.
L'errata destinazione di una proteina può ad esempio provocare conseguenze gravi come nella fibrosi cistica.
I proteasomi sono grossi complessi proteici che riconoscono alcune proteine marcate in precedenza e le degradano, perchè non sono più necessarie per la cellula.

La biologia molecolare del cancro

Molte delle mutazioni che causano il cancro derivano da influssi ambientali (es raggi x) che provocano problemi nella regolazione della crescita e della divisione delle cellule.
I geni che provocano il cancro sono gli oncogeni.
I normali geni cellulari, chiamati proto-oncogeni codificano proteine stimolando la normale crescita e la divisione cellulare.
L'oncogene deriva da una modificazione genetica che porta all'aumento della quantità di proto-oncogene o all'incremento dell'attività di ciascuna molecola proteica, i cambiamenti genetici che trasformano i proto in oncogeni sono di 3 tipi: spostamento del DNA all'interno del genoma (un proto-oncogene può trovarsi vicino ad un sito particolarmente attivo a causa dello spezzamento del cromosoma, e quindi aumenterà la trascrizione del gene), amplificazione di un proto-oncogene (determina l'aumento del numero di copie del gene nella cellula), mutazione puntiforme di un proto-oncogene (modifica il prodotto proteico del gene, con la produzione di una nuova proteina più attiva o più resistente alla degradazione).

I geni soppressori del tumore sono quei geni cancerogeni che inibiscono la divisione cellulare, alcuni riparano DNA danneggiato, altri controllano l'adesione delle cellule ad una matrice extracellulare o tra di loro, altri inibiscono il ciclo cellulare.

Il prodotto del gene ras è una proteina G che stimola il ciclo cellulare, e quando questo è prodotto dal proto-oncogene ras, si attiva anche in assenza del fattore di crescita.
Il gene p53 funziona da trascrizione per diversi geni, come il p21 che arresta il ciclo cellulare, in attesa dell'attivazione dei geni per la riparazione del DNA.
L'apoptosi si ha quando la p53 attiva geni suicidi che causano la morte della cellula quando il danno al DNA è irreparabile.
Se il gene p53 è difettoso o assente può insorgere il cancro, cioè quando il DNA viene duplicato anche se difettoso.

Per produrre tutti i mutamenti caratteristici di una cellula tumorale sono di solito necessarie molte mutazioni somatiche, per questo il rischio di cancro aumenta con l'aumentare dell'età, perchè più a lungo viviamo e più è probabile che esso si sviluppi a causa dell'accumulo di tutte le mutazioni possibili.
Perchè una cellula diventi tumurale, devono avvenire almeno circa una mezza dozzina di variazioni a carico di DNA.
Poichè gli alleli soppressori mutanti sono di solito recessivi, le mutazioni devono portare alla perdita di entrambi gli alleli nel genoma della cellula per arrestare la soppressione del tumore.
La maggior parte degli oncogeni si comporta come alleli dominanti.
In molti tumori maligni viene attivata la telomerasi, l'enzima che previne l'erosione delle estremità del cromosoma, rendendo la cellula tumorale immortale.
I virus sembrano giocare un ruolo importante in almeno il 15% dei casi di tumore nel mondo, essi contribuiscono allo sviluppo del cancro attraverso l'integrazione del loro materiale genetico nel DNA delle cellule infettate.