Comprendere la struttura e l’organizzazione dei cromosomi nelle cellule eucariotiche

In questo risultato, discuteremo gli autosomi e i cromosomi sessuali e le differenze tra i due così come il modo in cui le cellule imballano il DNA.

Quando una cellula si divide in due, uno dei suoi compiti principali è di assicurarsi che ciascuna delle due nuove cellule abbia una copia completa e perfetta del materiale genetico. Errori durante la copiatura, o la divisione ineguale del materiale genetico tra le cellule, può portare a cellule che sono malsane o non funzionali (e anche a malattie come il cancro). Ma cos’è esattamente questo materiale genetico, e come si comporta nel corso di una divisione cellulare?

DNA e genomi

Il DNA (acido desossiribonucleico) è il materiale genetico degli organismi viventi. Negli esseri umani, il DNA si trova in quasi tutte le cellule del corpo e fornisce le istruzioni necessarie per crescere, funzionare e rispondere al loro ambiente. Quando una cellula del corpo si divide, trasmette una copia del suo DNA a ciascuna delle sue cellule figlie. Il DNA viene trasmesso anche a livello di organismi, con il DNA delle cellule spermatiche e ovariche che si combinano per formare un nuovo organismo che ha materiale genetico da entrambi i suoi genitori. Fisicamente parlando, il DNA è una lunga stringa di unità chimiche accoppiate (nucleotidi) che esistono in quattro tipi diversi, e porta informazioni organizzate in unità chiamate geni. I geni tipicamente forniscono le istruzioni per produrre le proteine, che danno alle cellule e agli organismi le loro caratteristiche funzionali.

Negli eucarioti come le piante e gli animali, la grande maggioranza del DNA si trova nel nucleo ed è chiamato DNA nucleare. I mitocondri, organelli che raccolgono energia per la cellula, contengono il proprio DNA mitocondriale, e i cloroplasti, organelli che svolgono la fotosintesi nelle cellule vegetali, hanno anche il DNA cloroplastico. Le quantità di DNA che si trovano nei mitocondri e nei cloroplasti sono molto più piccole di quelle che si trovano nel nucleo. Nei batteri e in altri procarioti, la maggior parte del DNA si trova in una regione centrale della cellula chiamata nucleoide, che funziona in modo simile al nucleo ma non è circondato da una membrana.

L’insieme del DNA di una cellula è chiamato genoma. Poiché tutte le cellule di un organismo (con poche eccezioni) contengono lo stesso DNA, si può anche dire che un organismo ha il suo genoma, e poiché i membri di una specie hanno tipicamente genomi simili, si può anche descrivere il genoma di una specie. In generale, quando ci si riferisce al genoma umano, o a qualsiasi altro genoma eucariotico, si intende l’insieme del DNA che si trova nel nucleo (cioè il genoma nucleare). I mitocondri e i cloroplasti sono considerati avere i propri genomi separati.

Cromosomi

Ogni specie ha il proprio numero caratteristico di cromosomi. Gli esseri umani, per esempio, hanno 46 cromosomi in una tipica cellula del corpo, mentre i cani ne hanno 78. Come molte specie di animali e piante, gli esseri umani sono diploidi (2n), il che significa che la maggior parte dei loro cromosomi si presentano in serie abbinate note come coppie omologhe. Così, i 46 cromosomi di una cellula umana sono organizzati in 23 coppie, e i due membri di ogni coppia sono detti omologhi l’uno dell’altro (con la leggera eccezione dei cromosomi X e Y; vedi sotto).

Sperma e uova umani, che hanno solo un cromosoma omologo da ogni coppia, sono detti aploidi (1n). Quando uno spermatozoo e un uovo si fondono, il loro materiale genetico si combina per formare un set completo e diploide di cromosomi. Quindi, per ogni coppia omologa di cromosomi nel tuo genoma, uno degli omologhi proviene da tua madre e l’altro da tuo padre.

I due cromosomi in una coppia omologa sono generalmente molto simili tra loro. Sono della stessa dimensione e forma, e hanno lo stesso schema di bande chiare e scure, come si può vedere nel cariotipo umano (immagine dei cromosomi) mostrato sopra. Le bande appaiono quando i cromosomi vengono colorati con un colorante, e le bande scure segnano un DNA più compatto (di solito, con meno geni), mentre le bande chiare segnano un DNA meno compatto (di solito, con più geni). La cosa più importante è che i due omologhi di una coppia portano lo stesso tipo di informazione genetica. Per esempio, c’è un gene che si trova vicino al fondo del cromosoma 15 che influenza il colore degli occhi. Una persona potrebbe avere la versione blu, o allele, di questo gene su un omologo, ma la versione marrone sull’altro. Entrambi gli omologhi hanno lo stesso tipo di gene nello stesso posto, ma possono (e spesso lo fanno!) avere versioni diverse dei geni.

Negli esseri umani, i cromosomi X e Y determinano il sesso biologico di una persona, con XX per la femmina e XY per il maschio. Mentre i due cromosomi X nelle cellule di una donna sono veramente omologhi, i cromosomi X e Y delle cellule di un uomo non lo sono. Essi differiscono per dimensione e forma, con l’X che è molto più grande dell’Y, e contengono diversi geni per lo più diversi (anche se hanno piccole regioni di somiglianza). I cromosomi X e Y sono conosciuti come cromosomi sessuali, mentre gli altri 44 cromosomi umani sono chiamati autosomi.

Struttura del cromosoma

La continuità della vita da una cellula all’altra ha il suo fondamento nella riproduzione delle cellule attraverso il ciclo cellulare. Il ciclo cellulare è una sequenza ordinata di eventi che descrive le fasi della vita di una cellula, dalla divisione di una singola cellula madre alla produzione di due nuove cellule figlie. I meccanismi coinvolti nel ciclo cellulare sono altamente regolati.

Struttura cromosomica e compattazione eucariotica

Se il DNA di tutti i 46 cromosomi di un nucleo di cellula umana fosse disposto da un capo all’altro, misurerebbe circa due metri; tuttavia, il suo diametro sarebbe di soli 2 nm. Considerando che la dimensione di una tipica cellula umana è di circa 10 µm (100.000 cellule allineate per un metro), il DNA deve essere ben impacchettato per entrare nel nucleo della cellula. Allo stesso tempo, deve anche essere facilmente accessibile per i geni da esprimere. Durante alcune fasi del ciclo cellulare, i lunghi filamenti di DNA si condensano in cromosomi compatti. Ci sono diversi modi in cui i cromosomi vengono compattati.

Nel primo livello di compattazione, brevi tratti della doppia elica del DNA si avvolgono attorno a un nucleo di otto proteine istone a intervalli regolari lungo l’intera lunghezza del cromosoma (Figura 1). Il complesso DNA-istone è chiamato cromatina. Il complesso DNA istone, simile a una perlina, è chiamato nucleosoma, e il DNA che collega i nucleosomi è chiamato DNA linker. Una molecola di DNA in questa forma è circa sette volte più corta della doppia elica senza istoni, e le perle hanno un diametro di circa 10 nm, in contrasto con il diametro di 2 nm di una doppia elica di DNA. Il livello successivo di compattazione si verifica quando i nucleosomi e il DNA di collegamento tra loro sono arrotolati in una fibra di cromatina di 30 nm. Questo avvolgimento accorcia ulteriormente il cromosoma in modo che ora sia circa 50 volte più corto della forma estesa. Nel terzo livello di impacchettamento, una varietà di proteine fibrose viene usata per impacchettare la cromatina. Queste proteine fibrose assicurano anche che ogni cromosoma in una cellula che non si divide occupi una particolare area del nucleo che non si sovrappone a quella di nessun altro cromosoma.

Il DNA si replica nella fase S dell’interfase. Dopo la replicazione, i cromosomi sono composti da due cromatidi fratelli collegati. Quando sono completamente compatti, le coppie di cromosomi identici sono legati l’uno all’altro dalle proteine della coesina. La connessione tra i cromatidi fratelli è più stretta in una regione chiamata centromero. I cromatidi fratelli congiunti, con un diametro di circa 1 µm, sono visibili al microscopio ottico. La regione centromerica è altamente condensata e quindi apparirà come un’area ristretta.

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