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DNA E Cromatina

 

Se dispiegato per esteso, il DNA di tutte le cellule del nostro corpo può coprire in lunghezza la distanza fra la Terra e Plutone, ossia lo spazio fra il nostro pianeta e quello che si ritiene sia il più lontano dal Sole del sistema solare. Quindi, come fa ogni piccola cellula ad assemblare un pacchetto di due metri di DNA nel suo nucleo, che ha il diametro di solo un millesimo di millimetro? La risposta a questo enigma biologico scoraggiante è fondamentale per capire come l'organizzazione tridimensionale del DNA nel nucleo influenza la nostra biologia, da come il nostro genoma orchestra le nostre attività cellulari a come i geni vengono trasmessi dai genitori ai bambini.

Ora, gli scienziati dell'Istituto Salk e dell'Università della California di San Diego hanno fornito per la prima volta una visione senza precedenti della struttura tridimensionale o 3D della cromatina umana, che è la combinazione del DNA e delle proteine nel nucleo delle cellule umane vive. In questo studio, pubblicato sul numero di Science del 27 luglio 2017, i ricercatori dell'Istituto Salk hanno identificato un nuovo colorante per il DNA che, associato alla microscopia avanzata per mezzo di una tecnologia combinata chiamata ChromEMT, consente una visione molto dettagliata della struttura della cromatina nelle cellule a riposo e durante la mitosi o divisione cellulare. Rivelando la struttura della cromatica nucleare nelle cellule viventi, il lavoro può aiutare a riscrivere il modello convenzionale dell'organizzazione del DNA, ed anche cambiare il modo con cui ci avviciniamo ai trattamenti per le malattie.

Il Prof. Clarke O'Shea dell'Istituto Salk, docente presso l'Howard Hughes Medical Institute Scholar ed autore della ricerca, ha affermato: "Una delle sfide più difficili della biologia è quella di scoprire la struttura ad alta complessità del DNA nel nucleo, e come questo sia legato alle sue funzioni di genoma. È di eminente importanza, perché è la struttura biologicamente rilevante del DNA che determina sia la funzione sia l'attività genica."

Da quando Francis Crick e James Watson hanno determinato la struttura primaria del DNA come doppia elica, gli scienziati si sono chiesti come il DNA sia ulteriormente organizzato per consentire alla sua intera lunghezza di confluire nel nucleo in modo tale che le macchine di copia della cellula possano accedervi in diversi punti, nel corso del ciclo di attività della cellula stessa. I raggi X e la microscopia hanno mostrato che il livello primario di organizzazione della cromatina prevede 147 basi di spooling del DNA intorno alle proteine per formare particelle di circa 11 nanometri (nm) di diametro denominate nucleosomi. Si ritiene che queste "perline di nucleosomi" su una "corda" sono quindi in grado di piegarsi in fibre discrete di diametro via via maggiore (30, 120, 320 nm, etc.) fino a formare i cromosomi. Il problema è che nessuno ha visto la cromatina in queste dimensioni intermedie discrete nelle cellule che non sono state sezionate, con il DNA che è stato tagliato in modo piuttosto rozzo, per cui il modello convenzionale della struttura gerarchica di ordine superiore della cromatina nelle cellule intatte è rimasto non verificato.

Per superare il problema della visualizzazione della cromatina in un nucleo intatto, la squadra di O'Shea ha testato un certo numero di coloranti candidati, ed alla fine ne ha individuato uno che può essere manipolato con precisione con la luce per subire una complessa serie di reazioni chimiche che avrebbero sostanzialmente "verniciato" la superficie del DNA con un metallo in modo che la sua struttura locale e l'organizzazione 3D del polimero possano essere rappresentate in una cellula vivente. Il team ha collaborato con l'Università della California, San Diego, con l'esperto di microscopia e professore Mark Ellisman, uno dei coautori della ricerca, per sfruttare una forma avanzata di microscopia elettronica che fissa i campioni per mezzo di un fascio di elettroni che consente di ricostruire la loro struttura 3D. La squadra di O'Shea ha definito la tecnica che combina il colorante della cromatina con la tomografia a microscopio elettronico, ossia la tecnica ChromEMT.

Il team ha utilizzato la tecnologia ChromEMT per l'immagine e la misurazione della cromatina nelle cellule umane a riposo e durante la divisione cellulare o mitosi, quando il DNA è compattato nella sua forma più densa, ossia nelle 23 coppie di cromosomi mitotici che rappresentano l'immagine iconica del genoma umano. Sorprendentemente, non hanno visto nessuna delle strutture di ordine superiore descritte nel modello dei libri di testo da nessuna parte. "Il modello dei libri di testo è un'illustrazione a fumetti per una ragione", ha detto Horng Ou, un collaboratore di ricerca dell'Istituto Salk e primo autore dello studio. "La cromatina estratta dal nucleo e sottoposta a trasformazione in vitro nelle provette non può sembrare cromatina in una cellula intatta, quindi è estremamente importante poterla vedere in vivo."

Ciò che la squadra di O'Shea ha visto, sia in cellule a riposo sia durante la divisione, è che la cromatina a "perline su una corda" non costituiva una struttura di ordine superiore come i teorizzati 30 o 120 o 320 nanometri. Invece, formava una catena semi-flessibile, misurata accuratamente e variabile continuamente lungo la sua lunghezza, compresa fra soli 5 e 24 nanometri, piegandosi per ottenere diversi livelli di compattazione. Ciò suggerisce che è la densità di imballaggio della cromatina, e non una struttura di ordine superiore, che determina quali aree del genoma sono attive e quali sono soppresse o non attive.

Con le loro ricostruzioni di microscopia in 3D, la squadra è stata in grado di muoversi in un volume di torsioni e rotazioni di cromatina di 250 nm x 1000 nm x 1000 nm e di prevedere come una grande molecola come la RNA polimerasi, che trascrive delle copie del DNA, possa essere diretta dalla densità di imballaggio variabile della cromatina, come un velivolo di un videogioco che vola attraverso una serie di canyon, in un punto particolare del genoma. Oltre ad aumentare potenzialmente la conoscenza del modello di organizzazione del DNA, i risultati della squadra suggeriscono che il controllo dell'accesso alla cromatina potrebbe essere un approccio utile per prevenire, diagnosticare e curare malattie come il cancro.

"Abbiamo dimostrato che la cromatina non ha bisogno di formare strutture discrete di ordine superiore per adattarsi al nucleo", ha aggiunto O'Shea. "È la densità di impacchettamento che può cambiare e limitare l'accessibilità alla cromatina, fornendo una base strutturale locale e globale attraverso la quale diverse combinazioni di sequenze di DNA, variazioni di nucleosomi e modifiche potrebbero essere integrate nel nucleo per perfezionare squisitamente l'attività funzionale e l'accessibilità dei nostri genomi." Il lavoro futuro esaminerà se la struttura della cromatina è universale fra i tipi di cellule o anche fra gli organismi.

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