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INTRODUZIONE
L’insieme delle sequenze del DNA in un organismo è detto GENOMA. Il genoma negli eucarioti e procarioti è presente in modo differente, Þ Nei procarioti è presente sotto forma di geni regolatori; Þ Mentre negli eucarioti sono presenti sia geni funzionali, non funzionali oppure in quei geni di cui non si conosce la funzione. Þ Nei procarioti il genoma non è separato dal citoplasma. Þ Negli eucarioti è separato dal citoplasma, è avvolto da un in involucro nucleare. Inoltre, nelle sequenze di DNA sono ancorate delle proteine che formano una struttura che è chiamato CROMATINA. Il nucleo è un organulo altamente organizzato, dove si svolgono moltissime reazioni, e l’efficienza di queste razioni dipende dalla sua organizzazione, e tra l’interazione delle varie strutture, che in questo modo mantenendo l’integrità morfologica e forniscono anche un supporto alle suddette. Funzioni del nucleo Le principali funzioni del nucleo sono le seguenti: Þ Conservare tutte le informazioni genetiche ereditarie; Þ Duplicare le informazioni genetiche e dividerle nelle cellule figlie; Þ Gestire i processi metabolici delle cellule. STRUTTURA DEL NUCLEO IN BREVE Il nucleo è una struttura dinamica, dove la sua morfologia cambia durante le diverse fasi del ciclo cellulare in particolare durante il periodo di intercinesi (la fase di divisione e il periodo tra le due divisioni successive). È formato da 4 componenti:
- INVOLUCRO NUCLEARE: un sistema di membrane che delimita il nucleo e lo separa dal resto del citoplasma. - NUCLEOLI: composto da uno o più organuli sferici che si colorano con coloranti sia acidi che basici. - CROMATINA: un materiale colorabile con colorenti basici, che si può presentare sotto forma di ammassi densi o sottili filamenti - CROMOSOMI: quando la cromatina si presenta con attaccate le proteine - MATRICE NUCLEARE/NUCLEOSCHELETRO: una rete di filamenti intermedi Le dimensioni del nucleo sono in rapporto alle quantità di DNA e del citoplasma presente. Il rapporto tra il volume del nucleo e quello del citoplasma si chiama indice nucleoplasmatico. Variazioni numeriche del nucleo
Normalmente, le cellule eucariote hanno un solo nucleo. Tuttavia, ci sono condizioni particolari in cui il nucleo può essere più di uno o mancare del tutto.
- Cellule con più nuclei ( polinucleate ), tra cui si distinguono: Sincizi, cellule polinucleate derivanti dalla fusione di cellule normali. Un tipico esempio sono le fibre muscolari scheletriche, gli osteoclasti, le cellule giganti da corpo estraneo (numerosi macrofagi fusi tra loro, in grado di fagocitare corpi molto grandi estranei o di tessuti necrotici), che derivano dalla fusione di più cellule che mettono in comune i nuclei in un unico citoplasma. Plasmodi , invece, sono cellule in cui le divisioni nucleari non sono seguite dalla divisione citoplasmatica. Ne sono un esempio alcuni epatociti o alcune cellule degli epiteli di transizione (vescica), che derivano da un’unica cellula in cui nucleo si è diviso in più volte contemporaneamente.
- Cellule senza nucleo ( anucleate ), sono rappresentate da:
Eritrociti (globuli rossi) dei mammiferi, che servono a trasportare l!ossigeno nel sangue. In seguito al loro differenziamento perdono il nucleo perché il loro unico scopo è quello di trasportare i gas coinvolti nella respirazione. I globuli rossi degli uccelli, degli anfibi, dei rettili e dei pesci sono, invece, provvisti del nucleo. Piastrine , elementi del sangue che servono a formare il coagulo (una struttura che serve a bloccare la fuoriuscita di sangue quando c’è una lesione ad un vaso sanguigno) Proprio perché sono senza nucleo, sia eritrociti che piastrine non vengono definiti "cellule del sangue”, ma "elementi corpuscolati”.
1. INVOLUCRO NUCLEARE È un sistema di due cito-membrane, una membrana interna a contatto con il materiale nucleare e una membrana estrema rivolta verso il citoplasma. Le membrane si uniscono fra di loro a delimitare delle strutture circolari, chiamate pori nucleari dove si trova una struttura proteica chiamata complesso del poro. MEMBRANA INTERNA ED ESTERNA Entrambe le membrane hanno lo stesso spessore e sono separate da uno spazio peri-nucleare che è in continuità con il lume del RER. La membrana esterna è in continuità con le membrane del reticolo e sulla sua faccia citoplasmatica sono attaccati ribosomi. La membrana interna interagisce con la lamina fibrosa e con la cromatina. Queste interazioni dipendo dalle proteine integrali delle due membrane. Alcune proteine della membrana esterna interagiscono nel posizionamento del nucleo, allo stesso modo nella membrana esterna ci sono delle proteine che si legano alla lamina fibrosa e tramite questa alla cromatina. Il legame che si crea tra le proteine della membrana interna e la lamina nucleare è essenziale per l’integrità dell’involucro. Le proteine delle due membrane interagiscono fra loro attraverso lo spazio peri-nucleare. Una rete di interazioni che, attraversano i legami
svolto la loro funzione, questo mantenimento permette di reimportare le proteine preesistenti, senza costringere la cellula alla costosa sintesi ex novo di tutte le proteine nucleari. Le proteine da importare vengono riconosciute grazie ai segnali, da recettori citoplasmatici, i quali si legano al poro nucleare, molto probabilmente alle fibrille che sporgono sul lato citosolico. Le fibrille ma in generale le nuceloporine sono ricche di brevi ripetizioni di amminoacidi: fenilalanina e glicina(comunemente chiamate come ripetizioni FG), che fungono da siti di attacco per le importine, e si pensa che svolgono anche una funzione di guida dove i recettori e il loro carico si muovono nel poro. Il recettore legato alla proteina da importare penetra nel complesso fino a raggiungere l’interno del nucleo, dove rilascia il suo carico e ritorna al citoplasma. L’energia necessaria per il trasporto delle molecole sia verso l’interno che esterno è fornita dall’idrolisi del GTP operata da RAN (membro della proteina G). L’idrolisi del GTP giustifica anche la direzionalità del trasporto. Il RAN può trovarsi in una forma legata a GTP o a GDP, il passaggio da una forma all’altra è dovuto a due proteine; una delle quali attiva la GTPasi è la RAN-GAP, l’altra stimola lo scambio GDP-GTP ed è detta RAN-GEF. I recettori di importazione, legati alla proteina da importare, si legano al poro: dove raggiunto il lato nucleare incontrano il RAN-GTP, che viene riportato lungo il poro fino al citoplasma, dove RAN-GTP viene idrolizzato a RAN-GDP e si distacca dal recettore. Ora il RAN-GDP viene trasportato nel nucleo dove avviene lo scambio e si trasforma nuovamente in RAN-GTP. MOIFICAZIONI MORFOLOGICHE DELL’INVOLUCRO NUCLEARE L’involucro nucleare si disgrega all’inizio della mitosi e si riforma in teofase.
2. NUCLEOSOMA E NUCLEOSCHELETRO Il nucleosoma, indica sia l’insieme dei componenti nel nucleo, che quella parte che non appartiene che non comprende il nucleo e la cromatina. Questa parte si presenta come se fosse un reticolo formato da proteine (85%), da acidi nucleici e da lipidi ed è chiamata NUCLEOSCHELETRO. STRUTTURA DEL NUCLEOSCHELETRO È composto da due strutture principali:
- Lamina fibrosa: si trova al di sotto dell’involucro, ed è costituita da proteine dette lamine, che si legano alla membrana interna del nostro involucro è fanno da ponte di congiunzione con la cromatina, inoltre questa lamina è fondamentale per l’integrità nucleare, durante la meiosi.Si hanno due tipologie di lamine di tipo A , lamina A e lamina C, tipo B, lamina B1 e lamina B2. (in generale è un intreccio di filamenti intermedi) Il reticolo si forma ne seguente modo: I dimeri(unità fondamentale della lamina), interagiscono in modalità testa-coda fra di loro a formare dei protofilamenti, che si uniscono formando una struttura reticolare. La lamina nucleare è importante anche per l’integrità dell’involucro, perché durante le fasi della divisone nucleare tende a disgregarsi e ricostruirsi ad ogni divisione, e con questa disgregazione la effettua anche l’involucro nucleare
- Rete fibrillare: le lamine sono presenti anche qui, ma formano un reticolo meno stabile, importante poiché il nucleo deve avere una forma, garantita dalla rigidità dei lamina fibrosa, ma deve avere anche una componente lassa che permette alla cromatina di muoversi al suo interno. le lamine presenti appartengono a
varie classi, si trovano anche alcune proteine come le LAP, sono le forme nucleari dell’actina, e le ARP, sono correlate all’actina. Detto questo, sarà presente anche l’actina, sotto forma di Gactina (associate alle ARP). Sia la lamina fibrosa che la rete fibrillare concorrono per determinare l’organizzazione e il mantenimento del nucleo, fornendo un supporto alla cromatina. Il nucleoscheltro ha influenza su varie funzioni nucleari come: la duplicazione, e la ripartizione del DNA, la trascrizione, apoptosi e il controllo del ciclo cellulare. Come è avvenuto il riconoscimento del DNA come il depositario dell’informazione genetica, all’inizio chiamato principio di trasformazione La scoperta dell’esistenza del materiale ereditario risale al 1869, quando il medico svizzero. Mescer scoprì che all’interno dei nuclei dei globuli bianchi, la presenza di una sostanza ricca di fosfato che denominò nucleina. Negli anni Venti del Novecento gli scienziati divennero consapevoli che i cromosomi erano fatti di DNA e proteine, non c’era però alcun indizio che chiarisse il ruolo svolto da queste sostanze nella trasmissione delle informazioni genetiche. Grazie a due serie fondamentali di esperimenti, condotte una sui batteri e l’altra sui virus, nella prima metà del Novecento è stato possibile dimostrare che il materiale genetico non è costituito da proteine, ma dal DNA. Gli esperimenti del medico Griffith su due ceppi diversi, ceppo S e ceppo R del batterio Streptococcus pneumoniae dimostrarono che una sostanza presente nel ceppo S virulento poteva trasformare i batteri non virulenti del ceppo R in una forma letale, ciò accedeva anche quando i batteri del ceppo S erano uccisi con il calore. Questo dimostrava che una qualche sostanza, all’epoca chiamata fattore di trasformazione, estratta da uno pneumococco S morti, poteva agire sulle cellule R, provocando un cambiamento ereditario. A quel punto rimaneva solo da individuare la natura chimica di questa sostanza. Metà del Novecento Hershey e Chase su un virus che infetta i batteri (batteriofago T2) confermano le conclusioni di Avery. Quando cellule batteriche venivano infettate con batteriofagi T2 radiomarcanti soltanto di DNA marcato con P si trovava nei batteri, mentre le proteine marcate con S rimanevano nella soluzione.
Il genoma oltre ad essere più grande e anche molto più complesso sia per la sua composizione che per la struttura. È composto da lunghe catene che si uniscono a proteine e vanno a costruire organuli chiamati CROMOSOMI. Dunque, il numero di molecole di DNA contente nel nucleo corrispondente di cromosomi. Il numero varia per ogni specie. nelle cellule sono presenti due coppie per ogni cromosoma che costituiscono le coppie di cromosomi omologhi, uguali per forma, dimensioni e composizione genetica. Questo corredo cromosomico è detto diploide (cellula somatica), è presente anche un’altra tipologia ossia il corredo aploide(cellule germinali, o comunque cellule che hanno subito la meiosi), caratterizzato da uno dei due omologhi per ogni coppia. Durante il ciclo cellulare la quantità totale di DNA può variare nella cellula somatica, mentre in quelle genomiche. GENI STRUTTURALI I geni strutturali degli eucarioti sono discontinui , formati cioè da sequenze complementari a quelle dell’RNA messaggero, dette esoni , intervallate da sequenze che non si trovano nell’RNA messaggero dette introni , All’estremità del gene chiamata 5 ’ si trova una sequenza chiamata promotore che contiene i siti di riconoscimento del legame dell’enzima del RNA polimerasi. I siti principali di riconoscimento principali sono la TATA box, (composti dalla sequenza TATATAT…), sono presenti sia nei procarioti che eucarioti, mentre presenti solo negli eucarioti CAAT box e GC box. Al promotore segue il primo esone , chiamato anche sito di inizio, segue poi una serie alternata di esoni e introni. Per quanto riguarda l’estremità finale, estremità 3’ , corrisponde il sito di termine ed è presente l’ultimo esone.
4. CROMATINA E CROMOSOMI La cromatina è costituita da una serie di filamenti di DNA e proteine, dette cromosomi il cui numero è costante e caratteristico per ogni specie. Nella prima fase dell’intercisesi si presenta come un singolo filamento, ma dopo la duplicazione è composto da ben due filamenti. Il DNA è molto lungo, infatti subisce sia intercisesi che divisione per ottenere delle proporzioni adatte al nucleo. (durante l’intercinesi è compattato di circa mille volte, durate la duplicazione di 10000.) PROTEINE NUCLEARI Negli eucarioti il DNA interagisce con una serie di proteine, che costituiscono poi la cromatina. ISTONI sono delle proteine basiche, che si associano al DNA per formare la struttura base della cromatina. Queste proteine sono formate da vari amminoacidi che possiedono delle dimensioni relativamente piccole. Gli ISTONI si distinguono in: - istoni del core nucleosomico : formano il filamento nucleosomico, che rappresenta la base della cromatina. - istoni linker : che non si trovano nel filamento ma nelle strutture cromatiniche di ordine superiore. Gli sitoni possono subire anche delle modificazioni chimiche(acetilazione, fosforilazione..)che aiutano alcuni processi come la duplicazione, la trascrizione. Le PROTEINE NON ISOTONICHE possono essere sintetizzate in qualsiasi momento nel corso della vita della cellula. Hanno diverse funzioni: - attività enzimatica-> catalizzano le funzioni del DNA; - associano al RNA-> comprendono sia le proteine che si legano in modo transitorio che quelle in modo stabile; - coinvolte nella struttura della proteina-> controllano la spiralizzazione;
- controllano il mantenimento strutturale dei cromosomi (SMC)->regolano l’organizzazione dei cromosomi dell’uomo.(condensine e coesine). STRUTTURA DELLA CROMATINA La cromatina è un materiale filamentoso composto da una porzione sparsa e poco colorabile, detta EUCROMATINA , e da una parte granulare compatta e colorabile chiamata ETEROCROMATINA. Inoltre l’eucromatica rappresenta il materiale genetico in fase di attività e viene trascritto, mentre l’eterocromatica quello temporaneamente o permanente inattivo. A sua volta l’eterocromatina si distingue in:
- facoltativa : si differisce da tessuto a tessuto, ed è l’espressione dell’inattivazione specifica di determinati geni che è alla base del differenziamento. Un esempio è il corpo di Barr (si trova nelle cellule somatiche delle femmine mammifere), la determinazione del sesso avviene attraverso i cromosomi sessuali, che sono chiamati X; nel maschio è presente un solo cromosoma X e uno Y, nella donna XX. - costitutiva : corrisponde a regioni del genoma che hanno una composizione diversa dal resto della cromatina. Si trova nelle zone come il telomero, il centromero. Una particolarità è che il filamento ha una struttura molto ordinata con nucleosomi distanziati da DNA linker tutti della stessa lunghezza. FILAMENTO NUCLEOSONICO , come già detto in precedenza, esso rappresenta la struttura base della cromatina. Le fibre, che compongono il filamento si trovano a distanze più o meno regolari, formando un “rosario”. È composta da cilindretti di istoni. Ciascun istone del core, ha una lunga coda terminale, che si estende fuori dal nucleo DNA-istoni, queste terminazioni possiedo dei residui amminici che vanno ad interagire con i gruppi fosfato del nucleoosoma e con il DNA linker. Il filamento rappresenta la struttura primaria della cromatina. STRUTTURA SECONDARIA - >la maggior parte della cromatina si presente sotto forma di questa struttura. Si ha il modello a solenoide , che prevede un filamento che si avvolge a spirale su sé stesso. Modello a zig-zag , ossia quando si compatta a formare due filamenti paralleli dove i nucleosomi si sovrappongono, come se fossero due pile di monete. Gli sitoni linker, hanno un duplice ruolo, sia quello di inibire la trascrizione e di consolidare i vari livelli di compattazione della cromatina. STRUTTURA TERZIARIA , nella formazione di queste strutture, hanno un ruolo importante le proteine architettoniche, le quali danno origine a complesse strutture. È importante l’interazione fra le proteine architettoniche e le code degli istoni del core. STRUTTURA DEI CROMOSOMI METAFISICI
volte. L’istone H1 va ad instaurare poi legami con i vari nucleosomi, detto anche istone linker che va ad interagire anche con il DNA linker
- Fibra (struttura secondaria):è un ulteriore avvolgiemento ad elica di 6 nucleosomi (configurazione a zig-zag).
- modello ad anse radicali (struttura terziaria) un ulteriore superavvolgimento, impalcatura formata da proteine non isotoniche ossia le scaffold composte da topoiomerasi 2 alfa e condensine,, attorno ad esse si avvolge una fibra cromatinica che si ancora all’impalcatura in brevi tratti di DNA ricchi di adenina e timina, chiamati SAR. La cromatina si avvolge ad anse e l’impalcatura si spiralizza formando il cromatidio del cromosoma.
- modello a spiralizzazione gerarchica della fibra cromatica, questo modello ipotizza che una fibra cromatinica a 30nm subisca varie spiralizzazioni fino ad arrivare a formare un cromatidio con un diametro di circa 500-700nm.
