Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology


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Eterocromatina, dai cromosomi alle proteine

 

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I. Concetto di eterocromatina

II. Due tipi di eterocromatina

II.1. Eterocromatina costitutiva

II.2. Eterocromatina facoltativa

III. Proprietà dell'eterocromatina

III.1. L'eterocromatina è condensata

III.2. Il DNA eterocromatinico è replicato tardivamente

III.3. Il DNA eterocromatinico è metilato

III.4. Nell'eterocromatina, gli istoni sono ipo-acetilati

III.5. Gli istoni dell'eterocromatina sono metilati alla lisina 9

III.6. L'eterocromatina è trascrizionalmente inattiva

III.7. L'eterocromatina non partecipa nella ricombinazione genica

III.8. L'eterocromatina ha un istinto di aggregazione

IV. Fattori coinvolti nell'eterocromatinizzazione

IV.1. Vasta gamma di sequenze ripetute in tandem

IV.2. Metilazione del DNA

IV.3. Ipo-acetilazione degli istoni

IV.4. Metilazione di H3-K9

IV.5. Proteine HP1

IV.6. RNA nucleari

V. Funzioni dell'eterocromatina

V.1. Ruolo dell'eterocromatina nell'organizzazione dei domini nucleari

V.2. Ruolo dell'eterocromatina nella funzione centromerica

V.3. Ruolo dell'eterocromatina nella repressione (regolazione epigenetica)

VI. Malattie eterocromatiniche

VI.1. Disordini dell'eterocromatina costitutiva

VI.2. Disordini dell'eterocromatina facoltativa

VII. Conclusione

Versione inglese
Versione francese
Versione spagnola

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I. Il concetto di eterocromatina

Definizione di cromatina

Negli eucarioti, al contrario dei procarioti, il DNA è impacchettato sotto forma di complesso nucleoproteico chiamato "cromatina", che porta il messaggio dell'ereditarietà. Essa è localizzata nel nucleo ed è organizzata in molte entità separate, i cromosomi.

Il concetto di eterocromatina

Nel 1928, basandosi su osservazioni istologiche, Emil HEITZ definì l'eterocromatina (HC) come segmenti cromosomali che appaiono estremamente condensati e di colore scuro nel nucleo interfasico. Infatti, la cromatina consiste di un groviglio di fibre, il cui diametro non solo varia durante il ciclo cellulare, ma dipende anche dalle regione del cromosoma osservato. L'eucromatina attiva consiste di una fibra con un diametro corrispondente a quello di un nucleosoma, un segmento di DNA a doppio filamento, avvolto attorno a un omodimero di istoni H2A, H2B, H3, e H4. Nell'eucromatina inattiva, questa fibra può avvolgersi su se stessa in una solenoide grazie agli istoni H1. Inoltre è organizzata mediante l'interazioni con le proteine non istoniche (topoisomerasi II, proteina scaffold 2, laminine...). Quanto all'eterocromatina, come definito sopra, la sua fibra costitutiva è molto condensata e spesso appare composta di aggregati. Coinvolge numerose proteine aggiuntive, includendo le proteine HP1 (Heterochromatin Protein 1).

II. Due tipi di eterocromatina

Ci sono due tipi di eterocromatina, l'eterocromatina costitutiva e quella facoltativa, che differiscono di poco, in base al DNA che esse contengono. La ricchezza in DNA satellite determina la permanente o reversibile natura dell'eterocromatina, i suoi polimorfismi e le sue proprietà di colorazione.

Tabella 1. Proprietà che permettono di differenziare l'eterocromatina costitutiva da quella facoltativa.

II.1. Eterocromatina costitutiva

II.2. Eterocromatina facoltativa

III. Proprietà dell'eterocromatina

A dispetto delle differenze sopra descritte, l'eterocromatina costitutiva e quella facoltativa hanno molte proprietà simili.

III.1. L'eterocromatina è condensata

La condensazione è l'aspetto che definisce l' eterocromatina, ed è applicabile sia all'eterocromatina costitutiva sia a quella facoltativa. Questa alta condensazione la rende fortemente cromofilica e inaccessibile alla DNAse 1 e in generale ad altri enzimi di restrizione.

III.2. Il DNA eterocromatinico è replicato tardivamente

L'incorporazione di vari nucleotidi analoghi mostra che il DNA sia dell'eterocromatina costitutiva sia di quella facoltativa, e replicato tardivamente. La replicazione tardiva dell'eterocromatina risulta, da un lato, dal suo alto grado di condensazione, che previene che il macchinario replicativo abbia un facile accesso al DNA, e dall'altro, dalla sua localizzazione nel dominio periferico del nucleo che è povero di elementi attivi.

III.3. Il DNA eterocromatinico è metilato

III.4. Nell'eterocromatina, gli istoni sono ipo-acetilati

Gli istoni potrebbero andare incontro a modificazioni post traduzionali delle loro code N-terminali che potrebbero influire sull'attività genetica della cromatina.

III.5. Gli istoni dell'eterocromatina sono metilati alla lisina 9

Recentemente la metilazione dell'istone H3 alla lisina 9 (H3-K9) è risultata coinvolta nel processo di eterocromatinizzazione del genoma, sia nell'eterocromatina costitutiva sia nella facoltativa.

III.6. L'eterocromatina è trascrizionalmente inattiva

III.7. L'eterocromatina non partecipa nella ricombinazione genetica

III.8. L'eterocromatina tende all'aggregazione

Lo studio di vari organismi ha mostrato che l'eterocromatina costitutiva ha una naturale tendenza all'aggregazione durante l'interfase.

Questa tendenza ad aggregare della cromatina sembra essere fortemente legata alla presenza di sequenze di DNA satellite, ma potrebbero essere coinvolte anche altre sequenze aggiuntive.

IV. Fattori coinvolti nell'eterocromatinizzazione

Certe osservazioni hanno portato all'identificazione di vari elementi che hanno un ruolo importante nella formazione dell'eterocromatina, sia essa costitutiva o facoltativa.

IV.1. Vasta gamma di sequenze ripetute in tandem

Queste differenti osservazioni suggeriscono che la ripetizione in tandem di una sequenza di DNA in un gran numero di copie è sufficiente di per se stessa per dirigere la formazione dell'eterocromatina. Simili sequenze ripetute potrebbero seguire la cromatina per essere compattate a una più grande estensione, con la formazione di strutture caratteristiche. Queste strutture potrebbero essere riconosciute da proteine specifiche, come le proteine HP1, che dirigono la formazione di un più alto ordine di cromatina.

IV.2. Metilazione del DNA

Le grandi ripetizioni di transgeni non portano tutte a un' inattivazione trascrizionale del transgene. Il silenziamento indotto dalle ripetizioni in tandem sembra essere legato alla presenza di sequenze di DNA procariotico, ricche in CpG, prone a essere metilate. Poi la composizione in basi delle ripetizioni in tandem potrebbe quindi giocare un importante ruolo nella formazione dell'eterocromatina.

Figura 1. La metilazione del DNA induce la de-acetilazione delle proteine istoniche, modificazioni che caratterizzano sia l'eterocromatina che l'eucromatina trascrizionalmente repressa. MeCP2 si associa specificatamente al DNA metilato e recluta una HDAC che determina la de-acetilazione istonica (Ac=Acetilazione; Me=Metilazione; MeCP2=Metyl CpG Binding Protein 2; HDAC=Histone De-Acetilasi).

IV.3. Ipo-acetilazione degli istoni

Abbiamo visto che l'ipo-acetilazione degli istoni è una caratteristica della cromatina silente, che sia eterocromatina o no. Quindi, il blocco della de-acetilazione degli istoni mediante l'aggiunta di tricostatina A induce l'iper-acetilazione degli istoni, che causa una struttura più aperta della cromatina.

IV.4. Metilazione di H3-K9

La metilazione dell'istone H3 alla lisina 9 è una modificazione epigenetica che è stata recentemente vista essere coinvolta nel processo di eterocromatinizzazione, non solo nell'eterocromatina costitutiva ma anche sull'X inattiva. L'enzima responsabile per questa metilazione è l'histone methyltransferase SUV30H1.

Figura 2. La metilazione dell'istone H3-K9 induce la metilazione del DNA, tale modificazione caratterizza il DNA dell'eterocromatina o dell'eucromatina trascrizionalmente repressa. SUVAR39H è una metiltransferasi che metila specificatamente la Lisina 9 dell'istone H3. Questo evento di mutilazione crea un sito di binding per la proteina dell'eterocromatina HP1, la quale recluta una DNA metil transferasi in grado di mutilare le CpG sul DNA (Me=Metilazione; Metyl H3-K9=Mutilazione a livello della Lisina 9 dell'istone H3; HP1=Heterochromatin Protein 1; DNMT=DNA Metiltransferasi).

IV.5. Proteine HP1

Le proteine HP1 sembrano avere un ruolo particolare nell'organizzazione dell'eterocromatina. Gli studi di variegazione (PEV) in Drosophila e studi di transgeni nella Drosophila e nel topo hanno permesso chiarire meglio il ruolo di queste proteine.

è interessante notare allo stesso tempo che dove un transgene è represso, non come risultato di un effetto centromerico ma come risultato della sua presenza in molteplice copie, anche le proteine HP1 sono state trovate essere associate con la repressione della cromatina.

Le proteine HP1 sembrano essere un link essenziale nella formazione dell'eterocromatina, e potrebbero avere il ruolo di organizzatrici del dominio cromatinico. Queste proteine sembrano essere in grado di riconoscere particolari strutture che si creano dall'appaiarsi e/o associarsi di sequenze di DNA ripetute. In aggiunta, grazie al chromodomain (CD) e al chromoshadow domain (CSD), esse sono in grado di stabilire le interazioni secondarie con un gran numero di altre proteine.

IV.6. RNAs nucleari

V. Funzioni dell'eterocromatina

Il ruolo preciso dell'eterocromatina nel genoma umano rimane un mistero, così come i suoi frequenti polimorfismi non appaiono avere alcun effetto funzionale e fenotipico.

V.1. Ruolo di HC nell'organizzazione dei domini nucleari

V.2. Ruolo dell'eterocromatina nella funzione centromerica

In molti eucarioti, i centromeri sono caratterizzati dalla presenza di eterocromatina. E' stato suggerito che l'eterocromatina centromerica sia necessaria per la coesione di cromatidi fratelli e che segue la normale disgiunzione di cromosomi mitotici.

E' ipotizzabile che l'eterocromatina centromerica sia in grado di creare un compartimento con l'aumento della concentrazione locale della variante istonica centromerica, CENP-A, e promuovere l'incorporazione di CENP-A piuttosto che dell'istone H3 durante la replicazione.

V.3. Ruolo dell'HC nella repressione genica (regolazione epigenetica)

L'espressione genica potrebbe essere controllata a due livelli:

Meccanismi di inattivazione in cis:

In seguito a riarrangiamenti cromosomali, una regione eucromatinica potrebbe essere scambiata con una con una regione eterocromatinica. Nelle regioni in cui il riarrangiamento rimuove normali barriere che proteggono l'eucromatina, la struttura eterocromatinica è in grado di propagarsi in cis all'adiacente eucromatina, quindi inattivare i geni in essa contenuti. Questo meccanismo è stato osservato in position effect variegation (PEV) nella Drosophila e anche nell'inattivazione di certi transgeni nel topo.

Meccanismi di inattivazione in trans:

Durante il differenziamento cellulare, alcuni geni attivi sono adatti per essere trasportati in un dominio nucleare eteocromatico, quindi causando la loro inattivazione. Come è stato proposto un meccanismo così c'è una spiegazione per la co-localizzazione nei nuclei dei linfociti della proteina IKAROS e dei geni dei quali essa controlla l'espressione, con l'eterocromatina centromerica.

VI. Disordini eterocromatinici

VI.1. Disordini dell'eterocromatina costitutiva

Generalmente questi difetti sono il risultato di un'alterazione nel processo di differenziazione cellulare.

VI.2. Disordini dell'eterocromatina facoltativa

VII. Conclusione

In conclusione, sebbene l'eterocromatina sia apparentemente amorfa e isolata alla periferia del nucleo, essa sembra avere un ruolo assolutamente essenziale nell'organizzazione e funzione del genoma. Mediante questa review noi abbiamo presentato principalmente le caratteristiche legate all'eterocromatina, sia essa costitutiva o facoltativa. Abbiamo visto che le proprietà dell'eterocromatina costitutiva non sono fondamentalmente differenti da quelle della facoltativa. Sembra chiaro che i meccanismi coinvolti nell'eterocromatinizzazione facoltativa, che sono meccanismi epigenetici, sono gli stessi meccanismi che intervengono nella repressione dell'eucromatina in generale.

Patrizia Colapietro, Alessandro Beghini


Contributor(s)

Written2003-01Marie-Genevièvee Mattei, Judith Luciani
INSERM U 491, Faculté de Médecine, Bd Jean Moulin, 13385 Marseille, France

© Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
indexed on : Tue Mar 14 13:57:37 CET 2017


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