Il cromosoma dei Procarioti
Il cromosoma procariote è formato da una catena continua generalmente circolare di DNA a doppio filamento dello spessore di 2 nanometri di diametro, con avvolgimento superelicoidale attorno a un core proteico, compattato in una zona detta nucleoide.
Il DNA è sempre associato a proteine, ma non è altamente organizzato come negli Eucarioti.
In Escherichia coli esso contiene quasi 4,7 milioni di coppie di basi azotate, codificanti per circa 4300 geni, di cui il 98% è trascritto in mRNA, ed è lungo circa 1,5 millimetri se completamente svolto. La stessa cellula batterica è lunga meno di 2 micrometri.
Il genoma batterico comprende due tipi di geni:
- geni costitutivi o strutturali: codificano per proteine indispensabili per la sopravvivenza e sono sempre attivi. La trascrizione di questi geni è continua, ma modulata in base al fabbisogno; un numero minore di questi geni (geni adattativi) codificano per proteine prevalentemente enzimatiche, richieste solo in particolari situazioni e perciò sono trascritti saltuariamente e solo per il tempo necessario ad espletare la loro funzione;
- geni regolatori: codificano per proteine la cui funzione è regolare l'espressione di altri geni.
Il cromosoma degli Eucarioti
I meccanismi di controllo delle cellule Eucarioti sono più numerosi e complessi rispetto a quelli dei Procarioti. Negli Eucarioti la cellula esprimerà determinati geni e ne manterrà silenti altri:
- se un organismo e unicellulare o pluricellulare,
- secondo la specializzazione delle cellule (nei pluricellulari);
- in base all'età dell'individuo;
- in base all'ambiente;
- secondo gli stimoli che riceve.
Nella cellula eucariote, rispetto a quelle procariote, c'è:
- una maggiore quantità di DNA;
- una divisione in compartimenti nelle funzioni;
- una discontinuità nei geni;
- un gran numero di segmenti di DNA ripetuti, buona parte dei quali è DNA non codificante;
- una complessità maggiore nell'organizzazione delle sequenze di DNA che codificano per le proteine e nel controllo della loro espressione.
Quantità di DNA
Rispetto ai Procarioti, gli Eucarioti hanno un'enorme quantità di DNA, perché possiedono cellule specializzate per forma e funzioni (negli organismi pluricellulari). Tuttavia le dimensioni del genoma non sono correlate in modo lineare alla complessità dei rispettivi organismi, come avverrebbe invece se il DNA fosse formato unicamente da geni codificanti. Infatti, meno del 2% del DNA codifica per proteine. L'uomo, ad esempio, possiede un numero di geni uguale a quello del topo, con differenze non sostanziali: le funzioni metaboliche essenziali (divisione cellulare, trascrizione e traduzione del DNA) sono rimaste immutate fin dalla comparsa dei Batteri.
Le differenze tra gli organismi sono dunque legate al grado di complessità della regolazione genica.
Divisione in compartimenti delle funzioni
Negli Eucarioti, al contrario che nei Procarioti, trascrizione e traduzione sono separate nel tempo e nello spazio. Dopo che nel nucleo la trascrizione è terminata, i trascritti di mRNA vengono modificati prima di essere trasportati nel citoplasma, dove avviene la traduzione, mentre nei Procarioti i due processi possono procedere contemporaneamente.
Geni discontinui
I Procarioti hanno geni costituiti da segmenti continui di DNA, ognuno portatore del messaggio per codificare una sola proteina. Negli Eucarioti, invece, si trovano geni discontinui, costituiti cioè da una serie di sequenze che vengono tutte trascritte, ma solo alcune sono tradotte in proteine, mentre altre non sono espresse.
DNA non codificante
All'interno del genoma si trovano geni presenti una sola volta (sequenze non ripetitive) che hanno il compito di codificare per le diverse proteine. Essi sono solo una piccola parte di tutto il DNA, meno del 2%. Il restante 98% è DNA non codificante, inizialmente indicato come "DNA spazzatura", cioè inutile.
Il DNA non codificante, in realtà svolge varie funzioni:
- strutturale: collega tra loro i geni e organizza la struttura della cromatina;
- regolativa dell'attività dei geni;
- di separazione tra le diverse specie in quanto è assai variabile tra una specie e l'altra.
Parte di questo DNA, tuttavia, presenta funzioni ancora sconosciute o non del tutto chiarite.
Il DNA nono codificante delle cellule eucariote può essere suddiviso in tre classi principali.
1. Sequenze altamente ripetitive. Costituisce il 5-6% del genoma umano e il 10% nel topo. Si tratta di sequenze corte (<1000 coppie di basi), ripetute centinaia di migliaia di volte e molto abbondanti, che non vengono trascritte in mRNA maturo. In alcuni casi hanno funzioni strutturali e organizzative ma spesso prive di funzioni riconoscibili. Queste sequenze, accumulando mutazioni neutre, possono fornire una riserva di variabilità indispensabile per l'adattamento ambientale.
In base alla lunghezza sono divise in tre categorie:
- Satelliti, sequenze molto abbondanti nei telomeri, che nell'uomo sono ripetute da 250 a 1500 volte e servono da protezione durante le divisioni cellulari. Nei centromeri costituiscono la maggior parte dell'eterocromatina permanentemente arrotolata.
- Minisatelliti (10-100 coppie di basi), presenti nei centromeri, ma anche nei telomeri soprattutto nei Mammiferi. Poiché la posizione e il numero di copie di queste corte sequenze variano notevolmente da un individuo all'altro, si impiegano per determinare l'impronta genetica.
- Microsatelliti, sequenze molto brevi (2-6 coppie di basi), disseminate in tutto il genoma. Non si riconosce una funzione specifica ma possono essere utilizzati come marcatori nei test di paternità.
2. Sequenze moderatamente ripetitive. Sono sequenze corte (150-300 coppie di basi) e disperse che si ripetono migliaia di volte nell'intero genoma. Circa il 20-40% del DNA di un organismo pluricellulare è formato da questo tipo di sequenze.
Comprendono le seguenti categorie:
- sequenze codificanti geni per prodotti richiesti in grande quantità e in tempi brevi come rRNA, tRNA, istoni, globine e anticorpi;
- sequenze non codificanti come gli pseudogeni, copie imperfette e lesionate che rappresentano vestigia evolutive di geni che hanno subito alterazioni mutazionali significative e che controllano in qualche caso l'attività dei geni sani, e sequenze con funzioni regolative come i promotori e i terminatori dei vari geni;
- trasposoni, DNA mobile che trattiamo nel paragrafo seguente.
3. Trasposoni. Sono sequenze moderatamente ripetitive di DNA in grado di spostarsi da una posizione all'altra del genoma senza apparentemente rispettare regole predeterminate. Rappresentano oltre il 40% del genoma umano.
Il trasposone comprende la sequenza trasponibile e le due ripetizioni terminali invertite; ai lati del trasposone si trovano poi le ripetizioni fiancheggianti dirette.
I trasposoni a DNA si spostano in nuove sedi del genoma senza duplicarsi (modello non replicativo o conservativo: spostamento). Lo spostamento comporta un taglio delle estremità del trasposone e del DNA ricevente nel quale viene integrato. I geni per gli enzimi necessari al taglio (trasponasi) sono contenuti nel trasposone stesso.
I trasposoni a DNA replicativo si trasferiscono secondo il modello replicativo (duplicazione): è creata una copia del trasposone mediante la duplicazione semiconservativa del DNA e questa viene inserita nella parte del cromosoma accettore. Il trasposone originale rimane nella sua posizione.
I retrotrasposoni sono dei trasposoni che sono prima trascritti in RNA. Innanzitutto si crea un intermedio a RNA del trasposone mediante trascrizione, poi avviene la conversione in una molecola di DNA a doppio filamento mediante l'enzima trascrittasi inversa e infine la copia del trasposone viene integrata nella nuova sede.
Complessità di organizzazione e regolazione
Molti Eucarioti sono organismi pluricellulari, formati da cellule diverse, organizzate in tessuti altamente specializzati.
Il patrimonio genetico delle cellule Eucarioti comprende perciò due distinte classi di geni:
- geni costitutivi (housekeeping): sono geni costantemente attivi in tutte le cellule e si occupano dell'organizzazione strutturale e delle funzioni fondamentali per la sopravvivenza; possono essere soggetti a regolazione per adattarsi alle modifiche ambientali (regolazione è a breve termine);
- geni specifici: sono attivi solo in alcune cellule, ne determinano la specializzazione delle funzioni nei vari tessuti (regolazione a lungo termine) e sono sotto il controllo dei meccanismi di regolazione dell'espressione genica; le differenze cellulari, perciò, sono dovute alla differenza di espressione genica e non al tipo di geni posseduti, che sono uguali per tutte le cellule dell'organismo.