Cromatina
n., plurale: cromatine
Definizione: Un complesso di acidi nucleici (es. DNA o RNA) e proteine (es. istoni)
Tabella
Definizione della cromatina
Cosa è la cromatina in una cellula? La cromatina è un complesso di acidi nucleici (per esempio DNA o RNA) e proteine (per esempio istoni). È stata identificata nel 1882. Inizialmente, si pensava che fosse solo una sostanza colorata in un nucleo, tuttavia, in seguito si è scoperto che la cromatina è caratterizzata da proteine attaccate al DNA, e il DNA è stato identificato come il vettore delle informazioni genetiche (Ma, Kanakousaki, e Buttitta 2015). Quindi, possiamo definire la cromatina come una sostanza costituita da DNA e proteine associate (note come istoni).
Cosa sono gli istoni?
Gli istoni sono proteine di base caricate positivamente che si legano alle molecole di fosfato caricate negativamente del DNA. Ci sono due elementi principali in una cromatina, cioè il DNA della cellula e le proteine associate. Le proteine associate sono note come istoni. Oppure possiamo dire che la cromatina contiene proteine chiamate istoni.
La cromatina è un materiale da imballaggio per il DNA. Se non è ben impacchettato, può aggrovigliarsi su se stesso o danneggiarsi durante la divisione cellulare. La dimensione delle cellule è in micrometri e un DNA può essere lungo fino a 3 metri. Per inserire una struttura così lunga in una cellula micrometrica, è necessario un imballaggio stretto.
Che cos’è il nucleosoma?
Una molecola di DNA si avvolge intorno alle proteine istone per creare anelli stretti noti come nucleosomi.
I nucleosomi si avvolgono e sono legati insieme per formare una specie di fibra nota come fibra di cromatina. Queste cromatine, a loro volta, si avvolgono e si ripiegano con l’aiuto delle proteine per produrre un cromosoma. Ecco perché un cromosoma è noto per trasportare una parte o tutto il materiale genetico di un organismo. Una volta che il DNA è condensato in un cromosoma è protetto grazie alla sua struttura strettamente avvolta. Maggiori dettagli sulla sua struttura sono in questa sezione: Struttura della cromatina.
La cromatina gioca anche un ruolo vitale nel regolare il trasferimento delle informazioni genetiche. Prima di definire tecnicamente la cromatina, cerchiamo di capire cos’è. Guardiamo il seguente diagramma per capire le cromatine:
Dove si trova la cromatina?
Dove si trova la cromatina? Nelle cellule eucariotiche, la cromatina si trova nel nucleo. Ecco un’illustrazione che ti aiuterà a capire la sua posizione all’interno del nucleo cellulare.
Geni nella cromatina
I geni presenti nella cromatina possono essere spenti o accesi. Significa che in alcune cellule una certa parte del gene è attiva (“accesa”) mentre l’altra no (“spenta”). Cosa regola questa complessa informazione dai geni alle proteine e all’mRNA? Sì, è la cromatina.
Per convalidare questo, i ricercatori hanno usato il moscerino della frutta come organismo modello per studiare lo stato on e off dei geni nella cromatina. Il risultato del loro studio ha identificato 5 tipi distinti di cromatina descritti dalla presenza unica di proteine.
Questi cinque tipi sono stati poi chiamati come colori: Verde, Giallo, Nero, Blu e Rosso. Il nero era totalmente inattivo, il verde e il blu erano parzialmente attivi e il giallo e il rosso erano geni completamente attivi nella cromatina. Hanno scoperto che i geni della cromatina gialla erano accesi in quasi tutte le cellule perché regolavano le funzioni vitali delle cellule. Le cromatine rosse erano accese in alcune cellule specifiche perché governavano funzioni più specifiche (Serra et al., 2017).
Struttura della cromatina
Le proteine istone e il DNA hanno una massa uguale nella cromatina eucariotica (anche se ci sono anche alcune cellule con proteine non istone invece). Il nucleosoma è l’unità strutturale della cromatina, che a sua volta è composta da DNA e proteine (istone o non istone). Questa struttura si ripete in tutto il materiale genetico di un organismo. La struttura della cromatina impacchettata nella struttura di ordine superiore è mostrata qui sotto.
Cosa si intende con il modello “perline su una corda” della cromatina?
Il DNA e le proteine istone forniscono il primo livello di compattazione del DNA all’interno del nucleo. L’unità di base della struttura della cromatina è il nucleosoma. Un nucleosoma si forma quando il DNA è avvolto intorno agli istoni (il nucleo proteico) per formare una struttura “a perline”. Questa struttura a forma di perlina è nota come nucleosoma. Nella figura 3, la seconda dall’alto è la forma di cromatina “beads-on-a-string”. Il nucleosoma è un complesso di 146 paia di basi di DNA ed è avvolto dall’esterno di 8 proteine, cioè gli istoni. Così, il DNA avvolto intorno agli istoni forma un nucleosoma.
Ci sono cinque diversi tipi di istoni, cioè H1, H2A, H2B, H3 e H4. Un nucleo di istoni viene prodotto quando due H2A e H2B si combinano con le proteine H3 e H4. Circa 145 paia di basi di DNA sono avvolte due volte intorno a questa struttura proteica per formare un nucleosoma. La lunghezza del DNA di collegamento può variare a seconda dell’attività genica della specie e può variare da 10 a 95 paia di basi. C’è un nucleosoma ogni 200 coppie di basi e la sua lunghezza è di 10 nm.
Quando si guarda attraverso un microscopio, la cromatina appare come perline inserite nel filo. Queste perline sono note come nucleosomi. Il nucleosoma stesso è composto da otto proteine note come istoni. I nucleosomi formano un solenoide avvolgendosi in una spirale di 30 nm. In questo solenoide, altre proteine istone aiutano a formare la struttura della cromatina. La cromatina si condensa in cromosomi grazie alla crescente struttura compatta (Baldi, Korber e Becker 2020).
Qual è la relazione tra DNA e cromatina?
La cromatina è l’imballaggio del DNA. Il DNA e le proteine associate sono impacchettate nella cromatina per adattarsi al nucleo.
Come si assembla il DNA nella struttura della cromatina?
Ci sono diversi passi coinvolti nell’assemblaggio del DNA nella cromatina. Nel primo passo, le proteine H3e e H4 si depositano sul DNA seguite da H2A e H2B. Si forma una particella sub-nucleosomica composta da 146 coppie di basi di DNA. Il secondo passo è la maturazione in cui l’ATP stabilisce una spaziatura coerente dei nucleosomi. Nella fase successiva si inizia il ripiegamento degli istoni di collegamento in un nucleofilamento di 30 nm di struttura. Nell’ultima fase si verifica un ulteriore ripiegamento che porta a un livello superiore di impacchettamento. Il rapporto di impacchettamento è circa 7000.
Eucromatina vs. Eterocromatina
Ci sono due forme di cromatina: (1) eucromatina e (2) eterocromatina. L’eucromatina è meno condensata e può essere trascritta, mentre l’eterocromatina è altamente condensata e in genere non può essere trascritta. L’eterocromatina è ulteriormente classificata come eterocromatina costitutiva ed eterocromatina facoltativa. L’eterocromatina costitutiva è la sequenza di DNA esistente in tutte le cellule di un organismo. L’eterocromatina costitutiva è legata al DNA altamente ripetuto. Allo stesso modo, l’eterocromatina facoltativa non è presente in tutte le cellule. Per esempio, il gene che codifica la beta-globina negli animali è presente in alcune cellule ma non nelle cellule del sangue. Come spiegato in precedenza, la cromatina è un complesso di proteine e DNA nelle cellule eucariotiche. Il DNA nucleare non esiste come filamenti lineari, ma è strettamente condensato e avvolto intorno alle proteine nucleari in modo da potersi inserire nel nucleo.
Funzione della cromatina
Inizialmente, la cromatina era considerata come la sostanza che dà colore al nucleo cellulare. Più tardi, si è scoperto che non è solo una sostanza colorante, ma è uno dei più importanti regolatori dell’espressione del DNA. La struttura della cromatina ha anche un ruolo importante nella replicazione del DNA. L’impacchettamento del DNA nella cromatina e nel nucleosoma risulta in una struttura strettamente chiusa che non è accessibile dagli enzimi che sono responsabili della trascrizione, replicazione e riparazione del DNA.
L’impacchettamento della struttura del DNA è trascrizionalmente repressivo e permette solo un livello basale di espressione genica. Per le strutture nucleosomiche che sono aperte o interrotte, il DNA può essere replicato e trascritto più facilmente.
Durante il processo di trascrizione, la struttura della cromatina è modificata da alcuni repressori e attivatori che interagiscono con l’RNA per regolare l’attività del gene. Gli attivatori cambiano la struttura del nucleosoma con conseguente stimolazione dell’assemblaggio della RNA polimerasi. Durante la replicazione, si verifica una simile regolazione della struttura della cromatina che permette al meccanismo di replicazione di essere in posizione all’origine della replicazione.
Un’altra funzione della cromatina è nella regolazione dell’espressione genica. Usando il processo di variegatura per effetto di posizione, i geni possono essere convertiti in inattivi dal punto di vista trascrizionale localizzandoli vicino a cromatine eterocromatiche silenziose. La distanza tra le cromatine eterocromatiche silenziose e i geni può raggiungere le 1000 coppie di chilobasi. Questo fenomeno è definito epigenetico perché produce variazioni nel fenotipo.
Gli scienziati hanno proposto che la natura altamente condensata dell’eterocromatina impedisca la trascrizione del DNA. Tuttavia, non è ancora pienamente compreso come le regioni vicine non eterocromatiche siano influenzate. I ricercatori hanno scoperto che le proteine della cromatina possono diffondersi nelle regioni vicine per produrre un effetto repressivo simile. I ricercatori hanno anche proposto che ci possono essere alcuni compartimenti nel nucleo che non sono accessibili ai fattori di trascrizione in cui potrebbe risiedere l’eterocromatina. Così, la cromatina nel nucleo potrebbe non essere direttamente accessibile ai fattori di trascrizione.
La struttura della cromatina influenza la replicazione del DNA. Per esempio, l’eucromatina e altre aree attive del genoma si replicano prima. Allo stesso modo, nell’eterocromatina e nell’area silenziosa intorno ad essa, il processo di replicazione è anche lento. Altre importanti funzioni della cromatina sono descritte di seguito.
Imballaggio del DNA
La funzione più importante della cromatina è l’imballaggio di lunghi filamenti di DNA in uno spazio molto più piccolo. La lunghezza lineare del DNA è molto lunga rispetto a dove risiede. Per inserirsi in modo sicuro senza aggrovigliamenti o danni, il DNA deve essere compattato con qualche metodo. La compattazione del DNA nel nucleo è chiamata condensazione. Il grado in cui il DNA è condensato all’interno di un corpo è chiamato rapporto di impacchettamento. Il rapporto di compattazione del DNA è di circa 7000. Per questo alto livello di compattazione, il DNA non è impacchettato direttamente nella struttura della cromatina. Piuttosto, ci sono diverse gerarchie di organizzazione.
L’impacchettamento iniziale si ottiene avvolgendo il DNA intorno al nucleosoma. Questo dà un rapporto di impacchettamento di 6. Questo impacchettamento è lo stesso sia per l’eterocromatina che per l’eucromatina. Il secondo livello di compattazione si ottiene avvolgendo le perline in una fibra di 30 nm che si trova anche nei cromosomi mitotici e nella cromatina interfasica. Questo avvolgimento aumenta il rapporto di compattazione da 6 a 40. La terza fase di compattazione si ottiene avvolgendo ulteriormente la fibra in anelli, domini e impalcature. Questo imballaggio finale aumenta il rapporto di impacchettamento a 10.000 nei cromosomi mitotici e a 1000 nelle cromatine in interfase.
I cromosomi sono più compressi durante la metafase. Durante la divisione cellulare delle cellule eucariotiche, il DNA deve essere equamente diviso in due cellule figlie. Durante questa fase, il DNA è altamente compresso e una volta che la cellula completa la divisione, il cromosoma si srotola di nuovo. Quando la lunghezza dei cromosomi in metafase viene confrontata con il DNA lineare, il rapporto di compattazione può arrivare a 10.000:1. Questo alto livello di compattazione è ottenuto dalla fosforilazione dell’istone H1.
Regolazione della trascrizione
La trascrizione è il processo di trasferimento delle informazioni genetiche dal DNA alle proteine. Queste informazioni sono poi trascritte in RNA. Il passo finale è la traduzione dell’RNA in proteine funzionali. Il processo di trascrizione è controllato dalla cromatina. Se la cromatina si rafforza e limita l’accesso alla lettura delle proteine, la trascrizione si ferma. L’eterocromatina è un tipo condensato di cromatina che è altamente imballata e le proteine non possono leggere il DNA. Mentre l’eucromatina non è così strettamente imballata e le proteine possono condurre il processo di descrizione del DNA. Allo stesso modo, ci sono cromatine attive e inattive che possono contribuire al bursting trascrizionale o alla discontinuità della trascrizione.
Altri fattori della trascrizione includono l’associazione e la dissociazione del complesso dei fattori di trascrizione presenti nella cromatina. Questo fenomeno è considerato la ragione dell’alta variabilità nell’espressione genica che si verifica tra le cellule nella popolazione isogenica.
Cromatina e riparazione del DNA
Tutti i processi basati sul DNA dipendono dal confezionamento del DNA nella cromatina. La cromatina ha la capacità di cambiare forma e struttura a causa della disposizione dinamica delle proteine. Quando il DNA viene danneggiato, la cromatina si rilassa. Questo rilassamento permette alle proteine di legarsi al DNA e ripararlo.
La cromatina nella mitosi
La mitosi è il processo di divisione cellulare in cui le due cellule risultanti (cellule figlie) hanno lo stesso tipo e numero di cromosomi del nucleo madre. La cromatina ha una funzione importante durante le quattro fasi della mitosi.
- Profase: Durante questa fase, le fibre di cromatina si avvolgono per formare i cromosomi. Il cromosoma replicato comprende due cromatidi uniti al centromero.
- Metafase: Durante questa fase, la cromatina si condensa estremamente
- Anafase: Durante questa fase, i microtubuli del fuso tirano i due cromosomi identici verso l’estremità delle cellule e li separano.
- Telofase: In questa fase, i nuovi cromosomi si separano nel proprio nucleo. A questo punto, le fibre di cromatina diventano meno condensate svolgendosi. Due cellule identiche sono prodotte con lo stesso numero di cromosomi.
Cromatina, cromosoma e cromatide
Anche se tutte e tre le strutture cioè cromatina, cromosomi e cromatidi sono presenti nel nucleo della cellula e sono composti da DNA, tuttavia, sono identificati in modo unico come descritto di seguito:
Cromatina vs. Cromosoma
La differenza principale tra cromatina e cromosomi è che la cromatina è composta da DNA e istoni che sono impacchettati in una fibra, mentre un cromosoma è una forma a singolo filamento di cromatina condensata. La struttura del cromosoma si basa sulla fibra sottile della cromatina. Mentre le funzioni della cromatina sono descritte sopra, la funzione dei cromosomi è vitale durante la mutazione, la rigenerazione, la divisione cellulare, la variazione e l’ereditarietà. Inoltre, durante la divisione cellulare, la cromatina si condensa per formare un cromosoma e il cromosoma è a doppio filamento a forma di X. I due filamenti sono collegati al centro attraverso una regione nota come centromero.
Dove si trovano i cromosomi nella cellula?
I cromosomi sono presenti nel nucleo di una cellula eucariotica. Nei procarioti, il cromosoma è tipicamente un singolo anello di DNA cromosomico stabile nel nucleoide, ad esempio di una cellula batterica. Il DNA procariotico è associato a proteine non istoniche. Nei virus, non c’è nemmeno il nucleo e quindi il cromosoma può apparire come una breve struttura lineare o circolare di molecola di DNA o RNA spesso priva di proteine strutturali racchiusa da un involucro o un capside della testa.
Qual è la relazione tra cromatina e cromosomi?
La relazione tra cromatina e cromosoma è che la cromatina si condensa ulteriormente per formare un cromosoma. Il rapporto di impacchettamento del DNA di un cromosoma è superiore a quello della cromatina.
Cromatina contro cromatide
Ci sono due filamenti di cromosomi. Il singolo filamento del cromosoma è chiamato cromatide. Questi cromatidi si separano alla fine della divisione cellulare per diventare cromosomi figli. Quindi la cromatina è completamente diversa dal cromatide perché gli elementi principali della cromatina sono il DNA e le proteine associate in forma di fibra mentre il cromatide è una parte del cromosoma. Sì, la cromatide contiene cromatina.
Cromatina vs. nucleosoma
Il nucleosoma è la parte di DNA che è avvolta intorno al nucleo di proteine. La cromatina è il complesso del DNA con le proteine e aiuta nella condensazione del DNA per l’imballaggio nel nucleo.
- Anthony T. Annunziato. 2008. “Imballaggio del DNA: Nucleosomi e cromatina”. Natura Educazione. 2008. https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310/#%0Ahttps://www.scribd.com/document/257368023/DNA-Packaging-Nucleosomes-and-Chromatin-Annunziato-2014.
- Baldi, Sandro, Philipp Korber, e Peter B Becker. 2020. “Perline su una stringa-Nucleosoma Arrangements e ripiegamento della fibra della cromatina”. Nature Structural &Biologia molecolare 27 (2): 109-18.
- Creative-diagnostics. 2017. “La struttura e la funzione della cromatina”. 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
- Jansen, A., e K. J. Verstrepen. 2011. “Posizionamento dei nucleosomi in Saccharomyces Cerevisiae”. Recensioni di microbiologia e biologia molecolare 75 (2): 301-20. https://doi.org/10.1128/mmbr.00046-10.
- Ma, Yiqin, Kiriaki Kanakousaki, e Laura Buttitta. 2015. “Come il ciclo cellulare impatta l’architettura della cromatina e influenza il destino delle cellule”. Frontiers in Genetics 6: 19.
- Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion, e Marc A Marti-Renom. 2017. “Analisi automatica e 3D-Modelling dei dati Hi-C utilizzando TADbit rivela caratteristiche strutturali dei colori della cromatina della mosca.” PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.