Costruzione di cromosomi funzionali per caratterizzare la replicazione della cromatina
Se la genetica riguarda l’ereditarietà delle sequenze di DNA, l’epigenetica riguarda il modo in cui l’espressione di queste sequenze viene ereditata durante la divisione cellulare. Tali «modelli di espressione» dei geni aiutano a spiegare i tratti ereditati. Di importanza centrale per l’epigenetica è la replicazione cromosomica, che implica la copia accurata delle sequenze di DNA, insieme alla duplicazione di tutti i fattori che impacchettano il DNA e regolano la sua espressione. Eppure i precisi meccanismi molecolari alla base di questi processi di copia sono ancora in gran parte indefiniti. Attingendo al precedente successo del team nella ricostituzione della replicazione del DNA eucariotico utilizzando il lievito, il progetto CHROMOREP, sostenuto dall’UE, ha ulteriormente approfondito la replicazione cromosomica impiegando per la prima volta proteinepurificate. «Il nostro approccio offre lo strumento, precedentemente mancante, per studiare l’epigenetica e saperne di più su come la cromatina influenza i siti di inizio e la tempistica della replicazione», spiega il coordinatore del progetto John Diffley del Francis Crick Institute, che ospita il progetto.
Eredità epigenetica
A livello cellulare, uno degli aspetti più importanti dell’epigenetica è l’eredità degli «stati di espressione genica». Due cellule potrebbero avere sequenze di DNA identiche, ma una, come ad esempio una cellula del sangue, esprimerà geni diversi rispetto a una cellula epidermica. Mentre molte espressioni genetiche sono dinamiche, ristabilite in ogni ciclo cellulare dai fattori di trascrizione, alcune rimangono stabili per molte generazioni: un fenomeno noto come «eredità epigenetica». Nell’eredità epigenetica, le proteine istoniche, legate al DNA per formare pacchetti chiamati nucleosomi, vengono interrotte durante la replicazione del DNA. Gli istoni, insieme a eventuali modificazioni chimiche, vengono quindi ridepositati nella stessa posizione sulle molecole di DNA dei filamenti (cromatidi) «figli» del DNA, i quali vengono creati dopo che la doppia elica è stata separata in due singoli filamenti e ogni filamento viene copiato. I cromatidi risultanti ristabiliscono quindi i modelli di espressione genica.
Rivelare i precisi meccanismi di replicazione cromosomica
Il team di CHROMOREP ha espresso e purificato tutte le proteinenecessarie per la replicazione cromosomica su DNA nudo e le ha ricostituite utilizzando i loro modelli di cromatina. I ricercatori sono stati in grado di combinare circa 30 proteine purificate per replicare la cromatina. «Dato il numero di parti in movimento, le reazioni di replicazione completa della cromatina sono straordinariamente complesse: purificare e utilizzare 30 proteine diverse è biochimica di alto livello», afferma Diffley. Il replisoma completo, insieme a una proteina chaperone istonica nota come FACT, sono risultati sufficienti per consentire al team di ottenere la replicazione cromosomica. Ciò è stato evidenziato dalla ridistribuzione degli istoni sui cromatidi figli. I replisomi sono macchine molecolari responsabili della replicazione del DNA. I chaperoni istonici sono proteine che si legano agli istoni fornendo un veicolo per il viaggio degli istoni. «Poiché gli istoni presentano una carica positiva elevata e il DNA presenta una carica negativa elevata, le loro interazioni devono essere “sorvegliate” per garantire che avvengano nel posto giusto, al momento giusto», aggiunge Diffley. Rivelando ulteriormente i meccanismi di replicazione cromosomica, il team prevede di riuscire a ricostituire i modelli di replicazione dell’intero genoma nonché di andare oltre i sistemi di lievito e lavorare con le proteine umane. «Il nostro lavoro aiuta a spiegare l’ereditarietà epigenetica a livello molecolare, integrando il lavoro svolto da altri in interi organismi viventi. Fondamentalmente, costruendo cromosomi funzionali possiamo capire il modo in cui i problemi si verificano e portano allo sviluppo di malattie, come il cancro», afferma Diffley.
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