SINTESI DELL'RNA

Vari enzimi sono coinvolti nella sintesi dell'RNA dal DNA, è un processo noto come trascrizione, gli enzimi coinvolti sono noti come RNA polimerasi DNA dipendenti.
Il nome dato a questi enzimi rende l'idea della loro funzione; i nucleotidi del DNA fungono da stampo e la sequenza viene"copiata" utilizzando i ribonucleotidi e tramite la loro polimerizzazione si costruisce l'RNA.
 I ribonucleotidi vengono aggiunti l'uno dopo  l'altro in sequenza all'estremità 3' crescente del trascritto di RNA. Anche in questo caso ovviamente le regole dell'appaiamento dettano legge: l'adenina si appaia con la timina, l'uracile e la guanina con la citosina.
Durante la reazione i fosfati in posizione beta e gamma sono rimossi dal nucleotide che deve essere inserito in sequenza con un processo del tutto analogo a quello che avviene per l'aggiunta dei nucleotidi nella sintesi del DNA.
Vi è un enzima, noto come RNA polimerasi che rappresenta il componente principale del complesso di inizio della trascrizione. Ogni volta che vi è bisogno di ricopiare una informazione di un gene codificante per una proteina, tale sequenza viene copiata sottoforma di mRNA. Il processo della trascrizione farà in modo che tale copia inizi a monte del gene.

Negli eucarioti gli RNA vanno incontro ad una serie di modifiche che vengono annoverate sotto il nome di maturazione. Infatti vengono sintetizzati come precursori (pre-RNA) e devono subire modificazioni di vario tipo prima che possa svolgere le sue funzioni.
L'RNA subisce modifche di vario tipo tra cui:
modificazioni delle estremità: negli eucarioti  è un processo comune soprattutto a carico degli mRNA, al termine del processo di modificazione una estremità del messaggero possiederà un nucleotide insolito noto come cap presente alla estremità 5'; mentre al 3' troveremo una coda di poli A (dove la A sta per adenina). Ci torneremo su quando vedremo l'affascinante processo della trascrizione, queste modifiche e tali aggiunte saranno  fondamentali nel processo di traduzione del messaggio in proteina.
modificazioni chimiche: sono processi di modifica che riguardano un pò tutte le classi di RNA (ribosomiali, transfer, messageri.
La modificazione chimica dei messaggeri viene definita editing dell'RNA.
Lo splicing: consiste nella rimozine degli introni da un RNA recursore. Molti geni eucariotici che codificano proteine contengono introni che vengon trascritti insieme al gene. Tali introni saranno eliminati durante la maturazione dell'RNA mediante un taglia e cuci.
I pre-RNA non maturati formeranno la frazione nota come hnRNA detto anche RNA eterogeneo.
A tali modificazioni vanno aggiunte anche vari tipi di "eventi di taglio" le quali avvengono a carico dei rRNA e tRNA. I pre-rRNA e pre-tRNA subiscono tagli di differenti tipi che li porteranno alla maturazione.
L'editing dell'RNA può cambiare la sequenza e quindi l'informazione portata dal messaggero e di conseguenza permettere la sintesi di una diversa proteina.
splicing alternativo: in cui un pre-mRNA viene convertito in due o più mRNA combinando in maniera differente gli esoni.

CARNEVALE DELLA CHIMICA: cercando tracce di vita nell'universo

L'edizione speciale del carnevale della chimica unificato nel tema al carnevale della fisica: CERCANDO TRACCE DI VITA NELL'UNIVERSO è online!
Per leggere i contributi dei vari blogger a questa edizione speciale dei due carnevali, che vedrà gli articoli dei blogger esposti al congresso dell' international academy of astronautics (date un occhiata qui: uno sguardo sull'IAA) che si tiene in data dal 25 al 28 settembre a San Marino, potete recarvi ai seguenti siti.
Su CHIMICARE i contributi dei blogger al carnevale della chimica.
Su SCIENTIFICANDO i contributi dei blogger al carnevale della fisica.
Anche Biosproject ha partecipato all'evento con un post che potete trovare al seguente link :
(Quali caratteristiche dovrebbe avere una nuova forma di vita per definirla aliena?)
Non mi resta che augurarvi buona lettura!!!

ESTENSIONI DELLE LEGGI DI MENDEL: dominanza incompleta, codominanza.

Mi riallaccio ai post su Mendel (il link GENETICA vi porta all'elenco dei post) penso che li aggiornerò a breve con vari esempi, inserendo anche alcuni esercizi, in ogni caso lo saprete con un bel post!

Riallacciandoci a quanto detto nei post precedenti, gli innovativi studi portati avanti da Mendel permisero di capire che i geni possono esistere in forme alternative.

Per ognuno dei sette caratteri delle piante che il monaco studiò, li voglio ricordare, li avevo esposti negli altri post: colore dei semi, forma dei semi, altezza delle piante, colore dei fiori, posizione dei fiori, forma del baccello, colore del baccello, Mendel identificò due alleli che abbiamo definito come dominante e recessivo.

Dobbiamo sottolineare però che non possiamo ridurre il tutto al solo concetto di dominanza e recessività; è troppo semplicistico, non esiste solo un gene che fa tutto e ad un altro che non fa niente.

Infatti studi successivi dimostrarono che possono esistere più di due stati allelici; ed ogni allele può avere un diverso effetto sul fenotipo di un individuo.

Dominanza incompleta e codominanza.

Nei vari esempi precedenti si sono considerati sempre due alleli, il dominante aveva sempre lo stesso effetto sul fenotipo di un individuo sia che fosse omozigote per l'allele dominante ad esempio AA o eterozigote Aa.

Però come accennato non possiamo ridurre il tutto solo a questo, delle volte l'eterozigote presenta un fenotipo diverso da quello dell'omozigote. In parole povere l'allele dominante delle volte in condizioni di eterozigosità non presenta lo stesso effetto sul fenotipo dell'omozigote corrispondente.

Partiamo con qualche esempio per chiarire il concetto.

Avete mai sentito parlare o avuto dei fiori noti comunemente come bocca di leone? Il nome scientifico è Antirrihinum majus come possiamo vedere nell'immagine abbiamo varietà bianche, rosse, rosa.

Per il fenotipo rosso il genotipo è (RR) per quello rosa il genotipo è (Rr) per il bianco invece abbiamo (rr).

Ecco a voi un esempio di dominanza incompleta!

Mendel si basò sulla dominanza completa dei caratteri per formulare le sue teorie e leggi, ma è ovvio che osservò delle deviazioni dai risultati da lui attesi.

Casi di dominanza incompleta sono gli incroci dai quali la progenie non assomiglia ad alcun genitore della linea F1.

Esempio: come mostrato nell'immagine a lato, gli ibridi F1 avuti dall'incrocio con linee pure bianche e rosse hanno un colore che non assomiglia a nessuno dei fiori della linea parentale.

Il colore del fiore nella generazione F2 appare nel rapporto 1 rosso 2 rosa 1 bianco. In molte specie di piante, il colore del fiore viene considerato come prova calzante di dominanza incompleta.

L'allele per il colore rosso (R) viene definito parzialmente dominante rispetto a quello del colore bianco.

Come si spiega questo? Si ritiene che probabilmente l'intensità della pigmentazione in queste specie dipenda dalla quantità di un prodotto sintetizzato dal gene del colore rosso, che specifichi per una forma alternativa di una molecola proteica che ha un ruolo enzimatico nella produzione del pigmento. Ne consegue che se l'allele R porta informazione per la sintesi di tale molecola e r (bianco) non lo porta gli omozigoti RR avranno una quantità doppia di prodotto rispetto agli eterozigoti.

Ciò si ripercuote sul fenotipo con un colore più marcato.

Codominanza.

Prendiamo in considerazione un incrocio tra linee pure, l'individuo 1 presenta colore bianco con macchie nere, mentre l'individuo 2 presenta colore bianco e punteggiature nere.

Scusate il disegno ma non ho trovato di meglio, spero che sia esauriente!

Producono progenie eterozigote che presentano entrambi i caratteri chiazzato e punteggiato. Questo è un altro esempio di scostamento dalla dominanza completa. Il fatto che nella progenie siano presenti entrambi i caratteri mostra che nessuno degli alleli è dominante o recessivo sull'altro. Dal momento che entrambi i caratteri compaiono equamente si parla di codominanza. Immaginiamo che questo nostro modello sia capace di autoimpollinazione.

Dall'autoimpollinazione della generazione F1 chiazzato/punteggiato, si genera progenie F2 nel rapporto di 1 chiazzato: 2 punteggiato/chiazzato: 1 punteggiato.

1:2:1 rapporto che stabilisce che i caratteri chiazzato e punteggiato sono determinati da alleli alternativi di un singolo gene.

In ogni caso le relazioni di codominanza, dominanza incompleta o completa non hanno nessuna influenza negativa sulla trasmissione dei geni alla progenie.

Tutto ciò ha implizioni sulla legge della segregazione proposta da Mendel?

No , la dominanza incompleta o la codominanza non confutano la suddetta legge, il motivo è semplice: la dominanza completa o incompleta e la codominanza non hanno alcun effetto sui meccanismi della segregazione durante la formazione dei gameti. Come ci fanno notare gli studi di Mendel, prendendo come punto di riferimento il tipico esempio costituito da due geni, le coppie di geni che siano uguali o diffenti segregano comunque. La fecondazione in seguito ricostituisce due alleli per ciascuna cellula senza tenere conto se gli alleli sono gli stessi o differenti. Al massimo possono rendere più difficile valutare i risultati visibili della trasmissione genica e di dedurre il genotipo dal fenotipo.

UN ACCENNO AL TRASCRITTOMA...

Più volte ho accennato qua e la in qualche post al concetto di genoma, e più volte mi sono soffermato sul dire che è il depositario, dell'informazione genetica.

Vi è da dire però che questa informazione deve essere utilizzata, e per farlo non basta da solo il genoma. L'utilizzazione delle informazioni contenute al suo interno sono possibili grazie all'attività che viene portata avanti da innumerevoli proteine che partecipano a complesse reazioni che possiamo accomunare sotto il nome di espressione genica.

Quello che vi voglio proporre oggi è uno schema di tale espressione, quindi non una vera spiegazione dei meccanismi, una visione generale per poter comprendere meglio ciò di cui parleremo nei prossimi post.

Il trascrittoma.

Il primo prodotto del genoma è il trascrittoma, l'insieme delle molecole di RNA tali molecole derivano da quei geni la cui informazione biologica è richiesta dalla cellula in un particolare momento.

Le molecole di RNA sono fondamentali perchè permettono di dirigere la sintesi delle proteine.

Il trascrittoma si forma in seguito ad un processo chiamato trascrizione, in cui i singoli geni vengono copiati in molecole di RNA, il proteoma deriva dalla traduzione dell'informazione genetica copiata sottoforma di RNA. Trascrizione e traduzione sono eventi di fondamentale importanza, ma non bisogna fare l'errore di schematizzare il concetto di espressione genica a il DNA--->RNA---> (proteine nonostante ciò sia il dogma sostanzialmente) ma per passare dal DNA alle proteine vi sono una moltitudine di complessi processi.

L'espressione genica consta di vari momenti importanti:

1)Accesso all'informazione genetica.

2)Assemblasggio del complesso d'inizio della trascrizione.

3)Sintesi dell'RNA

4)Processamento dell'RNA

5)degradazione RNA

6)Assemblaggio complesso inizio della traduzione.

7)sintesi proteica

8)Ripiegamento delle proteine e loro maturazione

9)degradazione proteine.

Ne abbiamo elencati nove, ma dobbiamo comunque ricordarci, anche di tutti i processi che sono coinvolti nella regolazione dei processi che portano alla sintesi delle proteine.

Quali sono gli RNA contenuti in una cellula?

Bisogna subit sottolineare che quando parliamo di trascrittoma non ci riferiamo a tutto l'RNA presente all'interno di una cellula, ma solo ad una parte, cioè a quell'RNA definito codificante e quindi recante copia dell'informazione genetica.

RNA codificante e non codificante.

Una volta chiarito che non tutto l'RNA è codificante andiamo a suddividere per comodità le varie categorie di RNA.

L'RNA codificante è costituito da:

mRNA (RNA messagero): rappresenta la copia dell'informazione che risiede nei geni nel DNA e che permetterà la costruzione delle proteine durante il processo della traduzione. Tra le caratteristiche di tali acidi nucleici vi è l'essere degradati subito dopo la sintesi delle proteine.

L'RNA non codificante è costituito da :

rRNA (RNA ribosomiale)= è il tipo di RNA più abbondante presente nelle cellule, rappresenta circa l'80% del totale a differenza dell'RNA messagero che in genere non supera il 4%, Grazie a queste molecole avviene la costruzione delle proteine.

tRNA (RNA tranfer): sono piccole molecole coinvolte nel trasporto degli amminoacidi che costituiranno le proteine. Gli amminoacidi saranno trasportati ai ribosomi dove saranno assemblati nella usta sequenza secondo l'ordine specificato dall'informazione genetica.

Questo tipo di RNA sia codificanti che non sono presenti in tutte le specie di organismi. Discorso differente lo facciamo per altri tipi di RNA non codificanti. Parliamo di RNA i cui nomi vengono sudivisi a seconda della localizzaizone all'interno della cellula.

(snRNA: piccoli RNA nucleari): sono definiti anche U-RNA perchè ricchi di uridina e sono coinvolti nella maturazione dell'mRNA

(snoRNA: piccoli RNA nucleolari): svolgon un ruolo cruciale nella maturazione delle molecole di rRNA.

(scRNA: piccoli RNA citoplasmatici):, sono un gruppo eterogeneo che comprende funzioni diverse alcune delle quali non ancora conosciute.

Anche nei batteri possiamo ritrovare RNA non codificanti, diversi dai ribosomiali e dai transfer, sembrano però svolgere dei ruoli particolari e interessanti che viene definito transfer-messagero una molecola costituita da un tRNA associato ad un messagero la cui funzionalità sembra essere coinvolta nell'etichettatura molecolare di proteine sintetizzate in maniera non corretta. La funzionalità del tRNA sta nell'aggiungere un peptide segnale alla sequenza amminoacidica errata marcandola per una immediata distruzione.

Fonti: (Muto A, Ushida C and Himeo H (1998) A bacterial RNA that functions as a both a tRNA and a mRNA)

ISTONI E DNA

Il genoma contenuto nel nucleo delle cellule eucariote è ripartito in molecole lineari di DNA, molecole che in determinati stadi del ciclo cellulare si condensano fino ad essere impacchettate in modo tale da formare i cosidetti cromosomi.

In tutti gli eucarioti studiati i cromosomi sono come minimo presenti in numero di due, e la presenza di DNA lineare sembra essere una caratteristica comune a tutti gli eucarioti. Unica differenza è costituita dal diverso numero di cromosomi a seconda delle specie che prendiamo in considerazione, che non sembra assolutamente essere correlato alla complessità dell'organismo che prendiamo in considerazione, ne alle sue dimensioni.

Per fare un esempio:  il lievito (Saccharomyces cerevisiae) un fungo, possiede un numero di cromosomi quattro volte più grande del moscerino della frutta (Drosophila melanogaster) e le dimensioni di questi organismi sono nettamente differenti.

Il numero e la forma dei cromosomi varia da specie a specie.

Un ricercatore o un laborista analizza il contenuto cromosomico di una cellula nel momento in cui i cromosomi sono più visibili. Ciò avviene nello stadio cellulare noto come metafase, dove i singoli cromosomi si sono duplicati e condensati perdendo la loro iniziale struttura filamentosa e assumendo l'aspetto di strutture a bastoncello.

Ciasuna struttura a bastoncello è costituita da due metà identiche definite cromatidi fratelli, uniti tra di loro a livello del centromero.

I cromosomi sono molto più piccoli delle molecole delle DNA che contengono, infatti per permettere alla molecola di DNA di entare all'interno della regione del nucleo è fondamentale che esista un sistema di impacchettamento altamente organizzato che permetta a tale molecola di poter essere inserita in tale regione. L'impacchettamento del DNA e il suo grado di avvolgimento, svolgono un ruolo di primaria importanza anche nell'espressione genica, ma di questo parleremo in seguito.

All'inizio degli anni 70 furono fatte le prime scoperte riguardanti i meccanismi che portavano il DNA ad essere impacchettato.

Era già noto attraverso vari studi e osservazioni che il DNA era avvolto attorno da un particolare gruppo di proteine note come istoni ma poco si sapeva a riguardo dell'associazione tra DNA e tali proteine.

Esperimenti con le nucleasi.

Attorno agli anni 70 furono eseguiti esperimenti di protezione da nucleasi sulla cromatina (approfondiremo meglio, ma la possiamo definire come complesso DNA-istoni) estratta dalle cellule. Il complesso DNA-proteine venne trattato con enzima noto come nucleasi il quale ha la capacità di tagliare il DNA in posizioni che non sono protette dal legame con una proteina.  I frammenti risultanti dalla digestione con nucleasi  permisero di definire il posizionamento dei complessi proteici sulla molecola di DNA.

Tali scoperte in seguito sono state supplementate da micrografie elettroniche di cromatina purificata che hanno permesso di visualizzare la spaziatura regolare che era stata dedotta dagli esperimenti di protezione sotto forma di perle proteiche su un filo di DNA. Un ulteriore analisi biochimica ha indicato che ciascuna perla, definita nucleosoma, contiene otto molecole proteiche istoniche, due per ogni istone (H2A, H2B, H3, H4). Studi più approfonditi che hanno in seguito permesso di comprendere come tale complesso di proteine era strutturalmente organizzato ha mostrato che queste otto proteine costituiscono il nucleo, detto anche ottamero, di forma che ricorda vagamente quella di un barile con il DNA che è avvolto intorno a tale struttura proteica due volte.

Come è costituito questo complesso sistema di impacchettamento del DNA?

Bisogna comprenderlo prima di poter comprendere cosa è un genoma, prima di pensare come funziona un genoma, perchè il grado di impacchettamento del DNA, influisce notevolmente sulla lettura delle informazioni contenute nelle sequenze nucleotidiche da parte della cellula, sull'espressione dei geni!

Le proteine istoniche svolgono un ruolo importante nell'avvolgere il DNA, l'insieme di proteine istoniche e di DNA forma il nucleosoma.

Ogni nucleosoma è costituto da otto proteine istoniche, due per istone, quindi abbiamo due H2A, H2B, H3, H4.

Molti studi hanno dimostrato che questo gruppo di otto proteine, definito all'occorrenza ottamero, deve essere pensato come una specie di barile che avvolge due volte la molecola di DNA.

Alla particella nucleosomica sono associate dalle 140 alle 150 bp circa di DNA e ciascun nucleosoma risulta separato da un altro da circa 50-70 bp di DNA definito "linker".

VI sono anche altri istoni definiti linker; nei vertebrati comprendono gli istoni H1a-e, H1, H1t e H5.

A ciascun nucleosoma si trova attaccato un istone linker e porta alla formazione del cosidetto cromatosoma, ma il suo posizionamento non è chiarissimo.

Sembra che l'istone linker svolga un ruolo importante nel tenere ben legato il DNA al nucleosoma impedendogli di staccarsi da esso. Sembra inoltre che l'istone linker non sia associato, almeno non in tutti gli organismi, direttamente al complesso del nucleosoma, ma che sia interposto tra l'ottamero e il DNA.

Prima avevamo accennato alla formazione di una specie di filo di perle causato dall'associazione degli istoni e del DNA; non si deve fare l'errore di pensare che tale struttura rappresenti il DNA impacchettato, infatti la struttura a filo di perla sembra trovarsi solo di rado nei nuclei viventi.

...Vari sono stati i modelli utilizzati per spiere l'avvolgimento della fibra cromatinica a 30 nm, il modello che trova più consenso a riguardo è la struttura a solenoide. A permettere tale organizzazione potrebbero essere le interazioni tra il DNA linker oppure i punti di legame potrebbero coivolgere i nuclei dell'ottamero, gli istoni del core" le cui code proteiche si estendono al di fuori del nucleosoma Ipotesi quest'ultima molto interessante in quanto modicazioni chimiche di tali code causavano l'apertura della fibra di 30 nm, permettendo l'attivizone dei geni in essa contenuti.

Gli istoni sono proteie basiche.

Gli istoni sono le proteine più abbondanti associate ai cromosomi; il loro ruolo dunque è quello di legarsi al DNA cromosomico carico negativamente, sono proteine basiche contenenti molto ricche di amminoacidi basici arginina e lisina i quali nell'insieme rappresentano circa il 25% degli amminoacidi che compongono le proteine istoniche (una percentuale più alta di quella che si osserva nelle altre proteine).

Tramite numerosi studi si è riscontrato un alto grado di somiglianza tra le sequenze amminacidiche deli istoni H2A, H2B, H3, H4, ciò indica che gli istoni svolgono lo stesso ruolo di base nell'organizzazione del DNA in tutti gli eucarioti.

Tutti gli istoni sono modificat iattraverso il legame covalente di alcune unità ai gruppi liberi di alcuni amminoacidi. Le modificazioni più comuni sono le acetilazioni, metilazioni, fosforilazione, ubiquitazione, ADP-ribosilazione.

Tutte le modificazioni interessano sempre residui interni delle proteine istoniche e sono transitorie, si verificano solo in determinati momenti del ciclo cellulare. Tali modificazioni nel cambiare la conformazione delle proteine istoniche permetteranno o impediranno a seconda dei casi la lettura dell'informazione genetica e il suo utilizzo da parte della cellula quindi giocando un ruolo di fondamentale importanza nel processo della trascrizione.

I nucleosomi, complessi proteici importanti nell'organizzazione della cromatina.

Precedentemente abbiamo accennato al fatto che il DNA viene avvolto e compattato all'interno della regione del nucleo, questo ripiegamento richiede diversi livelli di ripiegamento altamente organizzato.

Il DNA viene legato attorno agli istoni, assumendo una conformazione che ricorda da vicino quella di una "collana di perle". I granuli che compongono questa collana sono complessi di istoni e DNA. Il granulo e il tratto di DNA di conessione con il granulo vicino formano il nucleosoma, l'unità fondamentale dell'organizzazione su cui si basa la complessità struttural di ordine superiore della cromatina. Il granulo costituito da ogni nucleosoma contiene otto molecole istoniche, due copie ciascuna degli istoni H2A, H2B, H3, H4. I nucleosomi costituiscono una unità ripetitiva formata da circa 200 coppie di basi di cui 146 circa sono legate strettamente al nucleo istonico; il restante costituisce il linker, il DNA di collegamento.

Il ripiegamento del DNA che porta alla formazione della struttura a solenoide, è una conformazione che viene assunta dal DNA parzialmente disavvolto (superavvolgimento negativo). Il DNA si deve associarsi in maniera molto stretta ai nuclei istonici, questo avvolgimento richiede la rimozione di un giro dell'elica per permettere rotazioni molto strette.

E'stato osservato in vitro che quando il nucleo proteico di un nucleosoma viene legato da un DNA chiuso in forma rilassata il legame induce un superavvolgimento negativo.

Il legame del DNA a questo complesso, con tale modalità di avvolgimento non causa danni alla struttura della doppia elica. La formazione di una superelica a solenoide negativa deve essere accompagnata da un superavvolgimento positivo compensativo in un altro punto del DNA non legato (vedi immagine sotto).

Enzimi come le topoisomerasi eucariotiche possono determinare il rilassamento della superelica positiva; il rilassamento lascia intatto l'avvolgimento supernegativo rappresentato dal DNA associato al nucleo istonico determinando una riduzione nel numero di legame.

Altro fattore importante che permette il legame del DNA agli istoni  è la sequenza di DNA coinvolta nel legame. Il DNA non si lega a caso sul nucleo istonico, i nucleosomi sono localizzati in particolari posizioni.

Il motivo di uno specifico posizionamento sembra risiedeere nel fatto che i nucleosomi si formano dove i sono abbondanti appaiamenti di A=T. SI è inoltre osservato che lo stretto avvolgimento del DNA attorno al nucleo istonico richiede anche una compressione della scalanatura minore dell'elica in questi punti, le regioni ricchi di A=T sembrano facilitare questa compressione.

L'avvolgimento del DNA e le strutture di ordine superiore.

L'avvolgimento è fondamentale per compattare il DNA dunque; l'avvolgimento attorno al nucleosoma rende il DNA più compatto di circa sette volte. Nei cromosomi isolati gli stessi nucleosomi appaiono ulteriormente organizzati in modo da formare ciò che si pò per semplicità deginire una fibra di 30 nm.

La fibra da 30 nm è lo stadio in cui si trova la cromatina attiva in interfase (periodo compreso fra due divisioni cellulari), cioè la cromatina che viene trascritta.

L'organizzazione della fibra a 30 nm non si estende per tutta la lunghezza del cromosoma, ma è inframezzata da regioni che interagiscono con proteine non istoniche anch'esse legate al DNA in modo sequenza specifico. Poche righe sopra è stato accennato che la fibra a 30 nm è lo stadio in cui si trova la cromatina in interfase periodo durante il quale avviene un intensa trascrizione delle informazioni contenute nei geni; è stato osservato che le regioni particolarmente ricche di geni e sottoposte a trascrizione presentano uno stato molto meno ordinato con una scarsa presenza di istone linker H1. La fibra a 30 nm fornisce al DNA una compattazione di circa 100 volte. Il livello superiore di compattezza alla fibra da 30 nm non è conosciuto del tutto ma volendo potremmo seguire il seguente elenco e parlare di:

1)fibra da 300 nm di diametro o fibra ad ansa, la cromatina si ripiega ulteriormente su se stessa grazie anche all'aiuto di altre proteine.

2) fibra da 700 nm di diametro, la cromatina si superavvolge, è il diametro dei singoli cromatidi.

3) fibra da 1400 nm di diametro, è il livello di condensazione massimo, quello dei cromosomi mitotici

Da varie osservazioni sembra inoltre che alcune regioni del DNA si associno con una impalcatura nucleare, tali regioni sono separate da anse di DNA che contengono migliaia di coppie di basi.

Nell'immagine sotto si può osservare un croosoma umano parzialmente srotolato che mette in evidenza le numerose anse di DNA attaccate ad una struttura simile ad una impalcatura.

CARNEVALE DELLA CHIMICA: Cercando tracce di vita nell'universo...Quali caratteristiche dovrebbe avere una nuova forma di vita per definirla aliena?

Questo post partecipa all'edizione speciale del carnevale della chimica il quale nel mese si settembre si unifica nell'argomento trattato con il carnevale della fisica. Il tema è "CERCANDO TRACCE DI VITA NELL'UNIVERSO".
Invito tutti i lettori che approderanno a questa pagina di fare una capatina sul sito dell'associazione CHIMICARE e sul sito del carnevale della chimica per maggiori informazioni.

L'idea di scoprire una nuova forma di vita extraterrestre per decenni ha entusiasmato e continua ad entusiasmare non solo astronomi e astrobiologi, ma anche il grande pubblico e perchè no solleticato anche la fantasia di molti bambini, soprattutto la mia quando ero piccolo, quante ore perse a giocare e a fantasticare, dopo aver visto i vari alien, predator e star wars, su quali pianeti sconosciuti arrivassero i personaggi, interpretati magistralmente dai miei giocattoli con la mia voce narrante, e sulle peripezie da dover affrontare per un salvo ritorno a casa!

L'idea di non essere soli nell'universo, di essere l'unico esempio di forma di vita nella galassia è per molti un qualcosa di statisticamente improbabile, soprattutto se pensiamo alle varie forme di vita esistenti sul nostro pianeta, in grado di esplicare magistralmente svariate funzioni metaboliche e replicative e alle strategie che permettono ad alcuni microrganismi di sopravvivere in ambienti che sarebbero inospitali per la maggior parte delle specie viventi!

Ma può una forma di vita qualora la trovassimo su altri pianeti essere definita veramente aliena? Cosa intendiamo con forme di vita nell'universo e quante sono le probabilità di scoprire nuove forme di vita? Ovviamente nessuno lo sa, ma c'è chi prova ad esaminare il problema ponendosi quesiti di vario tipo, tra questi vi è Gerald Joyce dello Scrips Research institute di La Jolla; California.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Plos One biology delinea  le caratteristiche che dovrebbe avere una forma di vita aliena per definirla tale.

In particolar modo dobbiamo chiederci se il tipo di vita che eventualmente potremmo trovare in qualche remoto pianeta rispecchiasse le regole biologiche a cui gli organismi sul nostro pianeta sono soggetti e come la vita su altri pianeti, cosi come lo è stato milioni e milioni di anni addietro sul nostro, abbia potuto svilupparsi.

Il professor Gerald Joyce, cerca di discutere i requisiti fondamentali per l'esistenza di nuove forme di vita.  "La vita si auto-riproduce, trasmette le informazioni ereditarie alla sua progenie, e subisce l'evoluzione darwiniana basata sulla selezione naturale."

Nel saggio, che potete leggere al link presente a fine post, fa riferimento a queste informazioni ereditabili come "bit" (per la vita come noi la conosciamo, questo include le quattro basi del DNA), e ci spiega come, anche se l'evoluzione darwiniana rimescola e crea nuove combinazioni di tali informazioni, ciò non definisce una nuova forma di vita o la creazione di una specie "aliena".
Infatti, ad oggi nessuna forma di vita veramente nuova è stata scoperta - sia in ambienti estremi sulla Terra o su altri pianeti - che contenga nuove caratteristiche, differenti da quelle a cui sono soggetti gli organismi sul nostro pianeta.

Siamo abituati a studiare e a pensare la vita sostanzialmente come una cellula al cui interno vi è un genoma contenente informazioni genetiche sottoforma di nucleotidi, informazione che viene tradotta, concretizzata dalla cellula tramite la costruzione delle proteine.

Ne consegue che se vogliamo uscire fuori dallo schema nel quale ci inglobano le leggi della chimica e della biologia come noi le conosciamo, occorre, secondo joyce, ragionare in maniera diversa, chiedendoci soprattutto come e quali possano essere le condizioni che permettano il verificarsi di eventi che portino alla creazione di componenti molecolari in grado di creare una informazione che possa essere trasferita di generazione in generazione, che muti dando vita a diverse combinazioni e a nuova vita.

Un sistema chimico ed un sistema biologico.

Secondo l'autore la vita potrebbe nascere tramite due possibilità: 1) potrebbe derivare, direttamente o attraverso la chimica, o da un sistema biologico preesistente.

Nel primo caso una forma di vita dovrebbe essere in grado di auto-organizzarsi in un sistema in grado di generare informazione.
Sostanzialmente si ritiene che in questo modo la vita ebbe origine sulla Terra, da un brodo primordiale di sostanze chimiche in un ambiente acquoso che ha permesso la generazione di  molecole autoreplicanti, che poi sono andate incontro a mutazioni per poi evolvere.

Quindi difronte ad una ipotetica o reale vita alternativa, utile sarebbe porci una serie di domande e cercare risposte che inquadrino la questione in termni di informazione domandandoci:

Le informazioni ereditarie da dove vengono e quante ne sono coinvolte? Un sistema biologico è distinguibile da un sistema chimico perchè possiedono componenti che possono dare origine a molte potenziali combinazioni; a ciò dobbiamo aggiungere che i sistemi biologici possiedono una memoria molecolare (genotipo) che viene modificata nel corso di mutazioni e selezioni, cambiamenti che se permettono all'organismo di sopravvivere possono  essere trasferiti alle generazioni successive.

Nel valutare la presenza di potenziali forme di vita alternativa si dovrebbe quindi porre particolare attenzione al materiale genetico, e qui sovviene un altro quesito:

Qual'è il numero minimo di informazioni genetiche necessarie per dare origine a tutti quei meccanimsmi che possano favorire l'ereditabilità di queste informazioni e che possano permettere l'instaurarsi di modificazioni a loro carico che possano aumentare le combinazioni (pool di informazioni genetiche) disponibili?

Ovviamente dipende dal tipo di sistema che andiamo a prendere in considerazione e al tipo di modifiche che subisce nel tempo.

L'obiettivo posto dall'autore è quello di determinare il numero di informazioni ereditabili che possono essere coinvolte, escludendo quelle che non nascono all'interno del sistema.

Ponendo varie domande tra cui:

Riporto l'esempio dell'autore:
Conteggio delle informazioni ereditabili.
Quanti tipi diversi di subunità (x) dovrebbe contenere il materiale genetico? Per un polimero binario x= 2 per uno quaternario come nel caso di un acido nucleico x= A,T /U,G,C.

Quale dovrebbe essere la lunghezza del materiale genetico?
Quali sono le possibili combinazioni che ne potrebbero derivare dalla modificazione di tali informazioni e quali si potrebbero presentare con maggiore probabilità?

Le modificazioni a cui vanno incontro tali componenti genetiche non hanno tutte la stessa probabilità di subire modificazioni e di dare origine alle varie combinazioni che ne possano derivare, ciò è dovuto al fatto che alcune subunità possono non essere presenti nelle giuste quantità o che venga a trovarsi meno frequentemente nel materiale genetico per far si che ciò si verifichi. Alcune reazioni ad esempio possono in ambito chimico e biochimico essere totalmente sfavorevoli, basti citare le lunghe sequenze di G nel DNA. Il numero di possibili combinazioni, seguendo lo schema proposto dall'autore, è x^n.

Se tutte queste combinazioni fossero possibili ognuna avrebbe una probabilita a priori di verificarsi di x^-n e il contenuto informativo, il numero di informazioni associato a particolari combinazioni sarebbe log2 (x^n). Ciò può essere espresso anche come 2#bits = x^n. per un polimero binario, #bits = n; for a nucleic acid polymer, #bits = 2n.

Se le varie combinazioni non hanno la stessa probabilità di verificarsi, allora il contenuto di informazioni associate ad una particolare combinazione realizzata deve essere calcolata sulla base della sua probabilità a priori di verificarsi (PK), che varia da 0 a 1. Il contenuto informativo (numero di bit) associato ad una particolare combinazione è realizzata -log2 (PK).

In linea di principio, quindi, l'autore prende in considerazione due vie attraverso le quali una nuova forma di vita può sorgere: direttamente dalla chimica o dalla scissione di una forma biologica esistente.

Se la vita nasce dalla chimica, per fare un esempio in un modo simile agli eventi che si pensa si siano verificati sulla primitiva Terra,  il sistema inizierebbe da zero informazioni ereditabili, eventuali cambiamenti a seguito di un periodo di chimica prebiotica, attraverso fattori che ne favoriscano una adeguata trasformazione in un eventuale sistema indirizzato ad una probabile creazione della vita, forse raggiungerebbe un elevato livello di complessità chimica, da cui potrebbe derivare una memoria molecolare, la quale potrebbe iniziare un processo di replicazione, mutazione ed eventuale evoluzione.

 Se, invece, la vita nasce da un'altra forma di vita, allora può avere un inizio "privilegiato", beneficiando di un ambiente chimico che è stato plasmato da una forma di vita preesistente, basata su un insieme di informazioni preesistenti.

SI pensa che questo sia stato il tipo di transizione che si è verificato sulla Terra quando la vita basata sull'RNA ha dato il via alla vita basata sul DNA e sui complessi proteici.

Questo passaggio probabilmente ha comportato un sostanziale trasferimento di informazioni che erano maturate in molecole di RNA e che sono state riportate sul DNA attraverso processi di trascrizione inversa. Molti biologi "vedono" echi di quelle informazioni ancestrali nelle sequenze di RNA ribosomiale, tRNA, e RNA contemporanei.

È stato suggerito che la vita basata sull'RNA come depositario dell'informazione sia stata preceduta da un'altra forma di vita, forse basata da un molecola depositaria dell'informazione simile ad un acido nucleico, come la molecola TNA (threose nucleic acid) o molecole come GNA (glicole nucleic acid).

Nella biologia moderna comunque non sembrano esserci tracce di una qualche forma di vita pre-RNA.

E'anche possibile che vi fosse vita sulla terra anche prima della formazione di una molecola di RNA e che non vi fosse alcuna somiglianza nelle componenti che permettessero il trasferimento di informazione, con l'RNA. Informazioni genetiche provenienti da una molecola di pre-RNA potrebbero essere state tradotte in RNA attraverso un meccanismo analogo a quello operato dal ribosoma, ma con l'RNA come output anziché imput.

In alternativa, una vita basata su una molecola di pre-RNA  può aver facilitato l'emergere della vita basata sull'RNA, ma senza il trasferimento delle informazioni.

Una forma di vita Pre-RNA può aver generato molecole di RNA come un prodotto metabolico, e, infine, le molecole di RNA sono andate incontro a cambiamenti di vario tipo.

 La discussione di cui sopra, sottolinea che ci sono quindi molti percorsi possibili attraverso cui una forma di vita può dar luogo ad un altra, ma non affronta la questione di come si possa creare una nuova forma di vita iniziale.

 Quando gli astronomi parlano di zone abitabili si riferiscono ad un'orbita planetaria che è ad una distanza adeguata da una stella per mantenere acqua liquida sulla superficie dei pianeti. Questa potrebbe essere una definizione troppo restrittiva o troppo generosa, a seconda dei punti di vista.

Forse la vita può esistere in un ambiente non acquoso, anche se ci sono pochi dati a sostegno di questa congettura.

Al contrario, anche un laghetto temperato povero di sostanze organiche diluite può essere insufficiente per permettere la formazione della vita. Lo stagno avrebbe bisogno di accumulare eteropolimeri di composizione variabile, alcuni dei quali dovrebero essere in grado di raggiungere una complessita tale da iniziare processi di replicazione e fornire la base per la memoria molecolare. La possibilità che ciò si verifichi non è ancora quantificabile e non è chiara se si tratti di un evento comune o estremamente raro.

L'autore inoltre espone un recente studio portato avanti dal suo team cercando, riproducendolo a tavolino, di descrivere un esempio di sistema chimico, che può subire evoluzione darwiniana in un modo autosufficiente . "Auto-sostenuta" in questo contesto significa che tutte le informazioni necessarie al sistema per essere sottoposto ai processi di evoluzione sono parte del sistema che si evolve, non provengono dall'esterno da un altra forma di vita per intenderci. Il sistema chimico coinvolge coppie di ribozimi che catalizzano reciproca sintesi unendo insieme due blocchi oligonucleotidici (Figura a lato sotto).

Nell'immagine sottostante in A è possibile osservare lo schema che mostra un ciclo di replicazione accoppiato di ribozimi (E in blu ed E' in arancione) che catalizzano una reciproca sintesi unendo due substrati oligonucleotidici corrispondenti, con A' e B' per formare E' e A con B per formare E. Ogni substrato contiene sei nucleotidi di sequenza variabile che sono riconosciuti dall'enzima. La struttura terziaria è basata sul modello omologo alla struttura cristallina dell'enzima RNA ligasi I.

IN B è mostrata la sequenza e la struttura secondaria del complesso E-A'-B' con le regioni genetiche racchiuse da un rettangolo e le regioni corrispondenti al dominio funzionale dell'enzima indicati in colore e con i nucleotidi immutabili che sono fondamentali per la replicazione (sono mostrati in nero). Inoltre nell'immagine in B potete notare una freccia ricurva, sta ad indicare il sito di legame di A' e B' per formare E.

Ciascuno dei due blocchi può adottare migliaia di composizioni alternative possibili e quindi formare in teoria milioni di combinazioni diverse. Ognuna delle tante combinazioni possibili potrebbe essere in grado di auto-replicarsi e trasmettere informazioni sulla composizione della sua progenie. Varianti che si replicano in maniera più efficiente possono crescere fino ad arrivare  a dominare la popolazione, fino all'adozione di nuove varianti più vantaggiose che soppiantano i loro predecessori in una battaglia senza fine  per la sopravvivenza

La popolazione di ribozimi costituisce un sistema di sintesi genetica, ma non è una nuova forma di vita, infatti come fa notare l'autore presenta due grandi limitazioni.
 Primo, le molecole contengono solo 24 bit (12 coppie di basi) di informazioni ereditabili per codificare una specifica funzione. Secondo, la replica dipende da 60 bit (30 nucleotidi definiti) che però sono stati forniti all'inizio e non sono soggetti a mutazione e selezione (Figura 3B). Così degli 84 bit totali necessari al sistema per iniziare a replicare ed evolvere, solo un quarto può essere considerato come parte della memoria molecolare del sistema che può essere soggetto a cambiamenti. In questo caso il sistema di sintesi genetica non è una nuova forma di vita perché opera per lo più su informazioni (bit) presi in prestito. Insomma non contiene abbastanza bit (informazioni) ereditabili rispetto a quelle per avviare il funzionamento di tutto il sistema per proseguire il suo percorso.
Conclude Joyce"Forse la prima vera forma di vita alternativa alla biologia terrestre si troverà su un pianeta extrasolare, in una roccia proveniente da Marte, o all'interno di un ambiente estremo sulla Terra.

Più probabilmente, sarà l'opera di una specie intelligente che ha scoperto i principi dell'evoluzione darwiniana e ha imparato a concepire sistemi chimici che hanno la capacità di generare informazioni genetiche per conto proprio come l'uomo. "

Fonti:

http://www.plosbiology.org/article/info:doi/10.1371/journal.pbio.1001323

Nota: Ero davvero indeciso se parlare di questo saggio pubblicato da Joyce su Plos biology, mi rendo conto che forse l'argomento trattato possa risultare pesante e non di immediata comprensione, che spero non aver reso ancora più difficile a causa del mio modo di esporverla; vi assicuro che mi sono impegnato al massimo per rendervela semplice...ma non troppo :)... ovviamente sperando di non aver travisato nulla nella traduzione e nella comprensione del testo...
In tal caso dateci sotto! Alla prossima.

PROSSIMAMENTE: ISTONI e DNA

Mi riallaccio ai post di biologia molecolare (Il DNA; i nucleoditi ecc.. altri post li trovate nella pagina biologia molecolare presente nella barra in alto nella home page) per introdurre l'organizzazione del DNA da parte delle proteine istoniche nel nucleo.

Il DNA depositario dell'informazione genetica viene letteralmente impacchettato all'interno della regione del nucleo grazie alla sua associazione con un particolare gruppo di proteine, gli istoni. L'insieme di DNA e istoni è noto come nucleosoma, il grado di impacchettamento del DNA è mediato da vari processi che si esplicano a carico del complesso istone-DNA svolgendo un ruolo fondamentale nel permettere al DNA di essere avvolto nella regione nucleica, inoltre le modifiche esercitate a carico di tale complesso possono svolgere un ruolo fondamentale anche nei processi di espressione genica.