Il DNA si organizza

Il DNA forma una doppia catena polinucleotidica avvolta a doppia elica. Sappiamo che i geni sono costituiti da DNA, e da osservazioni sperimentali (il DNA si vede al microscopio ottico e più dettagliatamente con il microscopio elettronico) l'organizzazione del materiale genetico sembra simile in tutte le cellule. Esso esiste in una forma compatta e occupa un'area delimitata; inoltre subisce cambiamenti durante le fasi attive di replicazione e trascrizione. Passiamo ore a chiarire l'organizzazione di questo materiale e la natura dei cambiamenti che avvengono quando è in forma attiva.

Un problema comune è rappresentato dall'impaccamento del DNA nei virus, nelle cellule batteriche e nei nuclei delle cellule eucariote poiché la lunghezza del DNA, se prendiamo la molecola per esteso, dovrebbe di gran lunga superare le dimensioni del compartimento in cui è contenuta. Questa discrepanza è maggiore nei batteri e negli eucarioti, dove il DNA è contenuto in un'area ancora più piccola della cellula.

Nei batteri il materiale genetico compattato viene chiamato nucleoide, mentre negli eucarioti si chiama cromatina. Durante il ciclo cellulare il grado di compattezza della cromatina varia; nel corso della mitosi (o della meiosi), quando la cellula si divide, la cromatina raggiunge il massimo della condensazione e si possono riconoscere i singoli cromosomi.

L'insieme dei cromosomi alla mitosi costituisce il cariotipo ed è caratteristico di ogni specie per numero, grandezza e forma dei cromosomi. Durante la metafase i cromosomi si allineano all'equatore della cellula lungo le fibre del fuso mitotico, a livello di una costrizione che tiene uniti i due cromatidi di ciascun omologo. Quando si parla di cromosomi, dunque, ci si riferisce solo alla forma che la cromatina assume durante la divisione cellulare.

Durante le altre fasi del ciclo i cromosomi non si distinguono e la cromatina presenta una struttura fibrillare dispersa. All'interno di questa struttura si possono distinguere due tipi di regioni: quelle dove le fibre sono meno densamente impaccate rappresentano l'eucromatina. Le regioni che invece presentano un impaccamento simile a quello dei cromosomi formano la cosiddetta eterocromatina. Le stesse fibre possono passare dallo stato di eucromatina a quello di eterocromatina dimostrando come i due stati non siano altro che un diverso grado di condensazione dello stesso materiale.

Esiste una correlazione tra struttura del materiale genetico e attività trascrizionale. Infatti, alla mitosi i cromosomi non trascrivono: la trascrizione cessa durante la divisione cellulare, quando lo stato è più condensato. Nelle aree di eterocromatina, in cui in generale non avviene trascrizione, si riconoscono due classi: l'eterocromatina costitutiva, che consiste di regioni particolari che non vengono mai espresse, e l'eterocromatina facoltativa, che riguarda invece interi cromosomi, che in certe cellule sono inattivi, ma che in altre circostanze possono essere trascritti. L'esempio classico di eterocromatina facoltativa è costituito dal cromosoma X, un cromosoma sessuale dei mammiferi.

Nelle femmine sono sempre presenti due cromosomi X, uno dei quali è inattivo. Il cromosoma X inattivo (detto anche cromatina di Barr) viene trasmesso nella forma eterocromatica, mentre l'X attivo è eucromatico (in interfase, naturalmente). La stretta condensazione del materiale genetico è dunque associata con l'inattività trascrizionale, ma l'inverso non è sempre vero. Infatti i geni attivi fanno sempre parte dell'eucromatina ma in un tempo determinato solo una piccola parte delle sequenze eucromatiche viene trascritta. Lo stato di eucromatina è necessario ma non sufficiente per l'espressione di un gene. La condensazione dell'acido nucleico dipende dalla presenza di proteine specifiche alle quali esso si lega. La relazione tra DNA (o RNA) e queste proteine determina la sua struttura. Nelle cellule eucariote le proteine che si legano al DNA vengono divise in due grandi categorie: gli istoni e i non-istoni.

A questa seconda categoria appartengono moltissime proteine con molte e diverse funzioni. Invece gli istoni formano una classe omogenea di proteine e sono queste che, negli eucarioti, una volta legate al DNA, formano la cromatina. L'unità fondamentale di cui è composta la cromatina è il nucleosoma. Al microscopio elettronico i nucleosomi appaiono come particelle tondeggianti tenute insieme da una struttura filamentosa: le particelle tondeggianti sono gli istoni mentre il filamento è costituito da DNA. Il processo di impaccamento successivo non è ancora chiaro, ma si ipotizza che i nucleosomi si organizzino in una struttura a spirale, dando origine alla fibra fondamentale. Come da questo stadio si passi all'ulteriore impaccamento, fino a formare il cromosoma, non è stato ancora chiarito: si ipotizza che la fibra fondamentale si possa organizzare in anse.