Il genoma umano contiene oltre 3 miliardi di coppie di basi o nucleotidi. Questi nucleotidi, che sono disposti in una sequenza lineare lungo il DNA (acido desossiribonucleico), codificano ogni proteina e tratto genetico nel corpo umano. Questa informazione è contenuta in circa 20.000 geni che, sorprendentemente, rappresentano solo una piccola frazione (circa l ‘ 1,5%) del DNA totale. Il resto è composto da sequenze non codificanti. L’integrità della sequenza genetica è essenziale per la normale funzione cellulare e questo viene evidenziato quando le anomalie genetiche non vengono rilevate da meccanismi di riparazione genetica intrinseca e danno origine a proteine disfunzionali e vari stati di malattie.
Nel nucleo interfase, i cromosomi sono difficili da distinguere l’uno dall’altro. Mai meno, occupano uno spazio discreto all’interno di un nucleo – il cosiddetto territorio cromosomico (i confini dei territori cromosomici sono suggeriti come linee tratteggiate rosse nella figura A). Euchromatin macchiato più chiaro (trascrizionalmente attivo) e le chiazze di eterocromatina più scura (trascrizionalmente silenziosa) sono, d’altra parte, facili da visualizzare. Durante la divisione cellulare, i territori cromosomici si trasformano in cromosomi altamente condensati, che quindi possono essere chiaramente distinti l’uno dall’altro. Insieme, i cromosomi mitotici, visualizzati al microscopio ottico, sono chiamati cariotipo.
Deve quindi avvenire una serie di processi che consentano alla cellula di impacchettare il DNA entro i confini del nucleo pur mantenendo la sua capacità di trascrivere e duplicare l’intera sequenza di DNA e mantenere la sua integrità. Ciò è ottenuto attraverso un elaborato processo di condensazione del DNA che vede il DNA confezionato in 46 cromosomi (o 23 coppie di cromosomi) negli esseri umani. Il numero di cromosomi varia da specie a specie; ad esempio, ci sono 40 cromosomi (20 coppie) nei topi, 8 cromosomi (4 coppie) nella mosca della frutta comune e 10 cromosomi (5 coppie) nella pianta Arabidopsis thaliana.
I cromosomi raggiungono il loro più alto livello di condensazione durante la divisione cellulare, o mitosi, dove acquisiranno una morfologia discreta a 4 o 2 braccia che rappresenta una compattazione di circa 10.000 volte. Sebbene questa forma mitotica fortemente condensata sia diventata il modo più comune di raffigurare i cromosomi, la loro struttura è significativamente diversa durante l’interfase. Rispetto ai cromosomi mitotici, i cromosomi interfase sono meno condensati e occupano l’intero spazio nucleare, rendendoli un po ‘ difficili da distinguere.
Come la formazione di cromosomi metafase, la compattazione necessaria per adattarsi a un set completo di cromosomi interfase nel nucleo è ottenuta attraverso una serie di eventi di piegatura, avvolgimento e piegatura del DNA che sono facilitati dagli istoni, che sono proteine nucleari di base altamente conservate che consentono la compattazione del DNA neutralizzando la carica negativa del DNA. Gli istoni generalmente si dispongono come un ottamero in complesso con il DNA per formare il nucleosoma. La combinazione di proteine del DNA e dell’istone che compongono il contenuto nucleare è spesso indicata come cromatina.
Heterochromatin vs Euchromatin
Tradizionalmente, la cromatina interfase è classificata come euchromatin o heterochromatin, a seconda del suo livello di compattazione. Euchromatin ha una struttura meno compatta, ed è spesso descritto come una fibra 11 nm che ha l’aspetto di ‘perline su una stringa’ dove le perle rappresentano nucleosomi e la stringa rappresenta il DNA. Al contrario, l’eterocromatina è più compatta ed è spesso riportata come composta da una matrice nucleosomica condensata in una fibra a 30 nm. Va notato, tuttavia, che la fibra 30 nm non è mai stata visualizzata in vivo e la sua esistenza è discutibile.
L’euchromatina ha una struttura meno compatta, mentre l’eterocromatina è più compatta e composta da una matrice di nucleosomi condensati in una fibra. Questi livelli di compattazione della cromatina sono illustrati qui in due cromosomi (arancione e blu).
Con il DNA che codifica l’informazione genetica della cellula, la condensazione di questa molecola è ovviamente più complicata di quanto possa essere rappresentata da semplici modelli in fibra da 11 nm o 30 nm. Il macchinario della trascrizione richiede l’accesso alle informazioni genetiche in tutto il ciclo cellulare, mentre il macchinario della replica copierà il DNA durante la S-fase. Questa complessità aggiunta è evidente nelle differenze chiave fra euchromatin ed heterochromatin ed anche nella localizzazione della cromatina all’interno del nucleo.
Il fatto che esistano meccanismi intrinseci nella condensazione del DNA per controllare l’accesso a fini trascrizionali o di replicazione si riflette nella presenza di elementi di DNA ripetitivi come sequenze satellitari, nonché elementi trasponibili all’interno dell’eterocromatina, in particolare nei centromeri e nei telomeri altamente condensati. Queste regioni, che sono conosciute come eterocromatina costitutiva, rimangono condensate durante tutto il ciclo cellulare e non vengono trascritte attivamente. L’eterocromatina facoltativa, che può essere svolta per formare l’euchromatina, d’altra parte, è più dinamica in natura e può formarsi e cambiare in risposta ai segnali cellulari e all’attività genica . Questa regione contiene spesso informazioni genetiche che verranno trascritte durante il ciclo cellulare.