Le modalità con cui i motori molecolari conferiscono ai cromosomi la propria struttura
Circa 150 anni fa, Walther Flemming studiò i cambiamenti cromosomici in atto nel corso della divisione cellulare; tuttavia, nonostante i successivi progressi delle conoscenze in tal ambito, i ricercatori hanno identificato solo di recente gli elementi chiave che determinano l’organizzazione dei cromosomi nel nucleo. «I cromosomi sono fondamentalmente strutturati in anse di DNA dotate di proteine a forma di anello, note come complessi di mantenimento strutturale dei cromosomi (SMC, structural maintenance of chromosomes), che sono implicate nella loro creazione», spiega Cees Dekker(si apre in una nuova finestra), ricercatore principale di LoopingDNA e docente di fisica presso il Politecnico di Delft(si apre in una nuova finestra), nei Paesi Bassi. «Tuttavia, gli esatti meccanismi di formazione e controllo di queste anse sono tuttora avvolti dal mistero.» Nel 2018, il laboratorio di Dekker ha scoperto che una SMC chiamata «condensina» funge da motore molecolare(si apre in una nuova finestra) che avvolge il DNA, dando ai cromosomi la loro struttura. Ora, utilizzando saggi a singola molecola, il progetto LoopingDNA ha rivelato maggiori dettagli sui meccanismi alla base di questo processo, approfondendo l’impatto esercitato dalla struttura dei cromosomi sulla biologia.
Una nuova classe di motori a DNA
Con il sostegno del Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra) (CER), il team di LoopingDNA si è avvalso dell’immaginografia temporizzata a singola molecola per seguire lo svolgimento del processo di ripiegamento del DNA guidato dalla condensina. «Abbiamo collocato un frammento di DNA su un vetrino, l’abbiamo visualizzato e abbiamo quindi osservato apparire l’ansa nel corso del tempo, mentre le SMC si attaccavano al DNA», spiega Dekker. «Ulteriori esperimenti ci hanno permesso di osservare molte altre caratteristiche, come l’asimmetria di ripiegamento e i cambi di direzione.» Inoltre, il team ha rilevato un nuovo motivo ad ansa, noto in inglese come z-loops(si apre in una nuova finestra), che si forma quando due SMC di condensina con estrusione ad ansa si incontrano e sorpassano a vicenda, gettando luce sulle modalità con cui il DNA si organizza in una struttura strettamente compattata. È stato inoltre scoperto che l’estrusione ad ansa è strettamente legata al «superavvolgimento» del DNA, che aumenta la quantità di torsioni in un filamento di tale materiale genetico. «Abbiamo dimostrato che le SMC non si limitano a estrudere il DNA, ma aggiungono anche una torsione a ogni estrusione, da cui si evince che il superavvolgimento del DNA è regolato dal genoma», aggiunge Dekker.
Meccanismi alla base del ripiegamento del DNA
Il progetto ha inoltre permesso di svelare altri indizi affascinanti: il DNA cellulare è ricoperto da proteine che lo legano, come i nucleosomi o l’RNA polimerasi, le quali in teoria potrebbero ostacolare l’estrusione. L’equipe ha scoperto con sorpresa che non è così: le SMC, infatti, sono apparentemente in grado di assorbire praticamente tutti gli oggetti nella loro ansa di DNA. Si tratta di un dato significativo in quanto le proteine sul DNA possono essere caratterizzate da dimensioni fino a decine di nanometri, mentre quelle delle SMC a forma di anello sono pari a circa 30 nanometri. Dekker ha scoperto che l’anello poteva persino ospitare particelle d’oro legate al DNA delle dimensioni di 200 nanometri, ovvero più grandi dell’anello della stessa SMC estrusa. «Abbiamo concluso che il DNA non era, come precedentemente ipotizzato, topologicamente contenuto all’interno dell’anello del complesso di SMC», afferma Dekker. «Abbiamo ora elaborato un modello in base al quale il legame con l’adenosina trifosfato modifica la forma e le dimensioni delle SMC, il che ci avvicina alla comprensione del meccanismo motorio alla base del ripiegamento del DNA.»
Informazioni ricavate sulle malattie genetiche
I ricercatori si sono anche posti l’ambizioso obiettivo di costruire un cromosoma da zero. Partendo da una lunghezza di DNA nudo (un genoma batterico di Escherichia coli privato delle proteine), lo scopo era quello di aggiungere complessi proteici e altre proteine di elaborazione del DNA al fine di studiare gli effetti generati dagli elementi responsabili dell’organizzazione del DNA. Pur avendo ottenuto una versione di base, l’estrema fragilità del DNA ha fatto sì che essa risultasse completa, al di là delle risorse a disposizione del progetto. «Se riusciamo a superare questi ostacoli tecnici, il nostro genoma artificiale potrebbe un giorno offrire un kit di strumenti per svolgere esperimenti che rivelano il modo in cui la struttura cromosomica regola l’espressione genica, offrendo nuove informazioni sulle malattie genetiche», spiega Dekker, concludendo. Dato che la condensina è nota per essere vitale al fine di garantire un sano sviluppo embrionale, il nuovo consorzio di Dekker, attualmente alla ricerca di ottenere finanziamenti attraverso una sovvenzione CER di sinergia, approfondirà la ricerca in quest’ambito: di particolare interesse risultano le modalità con cui il ripiegamento del DNA può consentire ai cosiddetti «enhancer» di avvicinarsi ai promotori di geni chiave, aumentandone l’espressione.
