Genoma, cromatina, epigenetica e sequenze del DNA.
Teoria essenziale
1. Il genoma e i cromosomi
Il genoma è l'insieme completo dell'informazione genetica di un organismo. Nelle cellule eucariotiche, il DNA è organizzato in cromosomi lineari.
🧬 Organizzazione minimale di un cromosoma eucariotico:
Centromero: regione che permette l'attacco ai microtubuli del fuso mitotico.
Telomeri: estremità dei cromosomi, proteggono il DNA dalla degradazione e dalla fusione con altri cromosomi.
Origini di replicazione: punti in cui inizia la replicazione del DNA.
DNA centromerico e telomerico
Il DNA centromerico contiene sequenze specifiche (es. CENP-A nelle cellule umane) che formano il cinetocore, il complesso proteico che lega i microtubuli.
I telomeri sono costituiti da sequenze ripetute (es. TTAGGG nell'uomo) che si accorciano a ogni divisione cellulare (senescenza replicativa).
2. La cromatina e il suo impaccamento
La cromatina è il complesso di DNA e proteine (istoni) che costituisce i cromosomi. L'impaccamento del DNA avviene a più livelli:
Nucleosomi: unità base della cromatina. Sono costituiti da un ottamero di istoni (2 copie di H2A, H2B, H3, H4) attorno al quale si avvolge il DNA (circa 146 paia di basi).
Istoni: proteine basiche (ricche di lisina e arginina) che legano il DNA grazie alla loro carica positiva.
Istone H1: lega il DNA nel punto di ingresso/uscita del nucleosoma, stabilizzando la struttura.
Fibra di 30 nm: struttura a solenoide formata dal ripiegamento dei nucleosomi.
📌 Eucromatina vs Eterocromatina:
Eucromatina: cromatina meno compatta, ricca in geni, attivamente trascritta.
Eterocromatina: cromatina più compatta, povera di geni, trascrizionalmente inattiva. Si divide in:
Costitutiva: sempre inattiva (es. centromeri, telomeri).
Facoltativa: può diventare attiva (es. cromosoma X inattivato).
Metilazione del DNA
Aggiunta di gruppi metile (–CH₃) alle citosine (CpG isole).
La metilazione del DNA è associata alla repressione genica e all'eterocromatinizzazione.
Può essere ereditata durante la divisione cellulare (epigenetica).
Rimodellamento della cromatina
Complessi proteici (es. SWI/SNF) che utilizzano l'ATP per riposizionare i nucleosomi.
Permette l'accesso al DNA per la trascrizione, la replicazione e la riparazione.
3. Epigenetica: modificazioni degli istoni
L'epigenetica studia le modificazioni ereditabili dell'espressione genica che non comportano cambiamenti nella sequenza del DNA.
Modificazioni post-traduzionali degli istoni
Acetilazione: aggiunta di gruppi acetile alle code degli istoni (es. H3K27ac). Neutralizza la carica positiva degli istoni, diminuisce l'affinità per il DNA → cromatina aperta (trascrizione attiva).
Metilazione: aggiunta di gruppi metile. Può essere associata a:
Attivazione (es. H3K4me3, H3K36me3).
Repressione (es. H3K9me3, H3K27me3).
Fosforilazione, ubiquitinazione, sumoilazione: altre modificazioni che regolano la struttura della cromatina.
🧬 Esempio di regolazione epigenetica:
L'acetilazione degli istoni è catalizzata da acetilasi (HAT) e rimossa da deacetilasi (HDAC).
Gli inibitori delle HDAC sono usati come farmaci antitumorali per riattivare geni oncosoppressori.
Condensine e ripiegamento della cromatina
Le condensine sono complessi proteici che organizzano il DNA in anelli (loop) durante la condensazione mitotica.
Contribuiscono alla compattazione della cromatina in cromosomi mitotici.
4. Il genoma umano: organizzazione e sequenze
Il genoma umano (3,2 miliardi di paia di basi) è costituito da diverse categorie di sequenze:
Tipo di sequenza
Caratteristiche
Esempi
Sequenze singole (uniche)
Presenti in una sola copia o poche copie nel genoma
Geni codificanti per proteine, sequenze regolatorie
LINE (Long Interspersed Nuclear Elements, 6-7 kb), SINE (Short Interspersed Nuclear Elements, 100-300 bp, es. Alu), Retrovirus endogeni
Elementi mobili del DNA
Trasposoni che possono spostarsi nel genoma
Trasposoni a DNA, retrotrasposoni (LTR e non-LTR)
🧬 Curiosità:
Circa il 45% del genoma umano è costituito da elementi trasponibili (sequenze ripetute).
I microsatelliti (STR) sono usati in medicina legale e in diagnostica genetica.
Le sequenze Alu (SINE) sono le sequenze ripetute più abbondanti nel genoma umano (~1 milione di copie).
Esempi svolti
🧬 Esempio 1 – Cromatina
Quale modificazione degli istoni è associata alla trascrizione attiva? Soluzione: l'acetilazione degli istoni (es. H3K27ac) è associata a cromatina aperta e trascrizione attiva.
🧬 Esempio 2 – Sequenze ripetute
Quale tipo di sequenza ripetuta è utilizzata per il DNA fingerprinting? Soluzione: i minisatelliti (e anche i microsatelliti) sono usati per il DNA fingerprinting per la loro elevata variabilità individuale.
🧬 Esempio 3 – Epigenetica
Cosa succede quando il DNA è metilato nelle regioni promotrici? Soluzione: la metilazione del DNA nelle regioni promotrici è generalmente associata a repressione genica (silenziamento).
Esercizi guidati
✏️ Esercizio 1 – Quale proteina si lega al centromero per formare il cinetocore?
Soluzione: La proteina CENP-A (Centromere Protein A) è un variante dell'istone H3 che si trova specificamente nei centromeri e forma il cinetocore.
✏️ Esercizio 2 – Quali sono le sequenze ripetute intersperse più abbondanti nel genoma umano?
Soluzione: Le LINE (Long Interspersed Nuclear Elements) e le SINE (Short Interspersed Nuclear Elements), in particolare le sequenze Alu (circa 1 milione di copie).
✏️ Esercizio 3 – Quale modificazione post-traduzionale degli istoni è associata alla repressione genica?
Soluzione: La metilazione di specifici residui di lisina (es. H3K9me3, H3K27me3) è associata alla repressione genica e all'eterocromatina.
Test di autovalutazione
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1. Quale struttura è l'unità base della cromatina?
2. Quale tipo di sequenza è un elemento mobile del DNA?
3. La metilazione del DNA è generalmente associata a: