All’interno di ogni cellula umana avviene una straordinaria impresa di organizzazione molecolare. Circa un metro e ottanta di DNA devono essere racchiusi in un nucleo che è solo circa un decimo della larghezza di un capello umano, ma il DNA deve rimanere sufficientemente accessibile per svolgere funzioni essenziali.
Per rendere ciò possibile, il DNA si avvolge attorno alle proteine per formare i nucleosomi. Questi nucleosomi si collegano come perline su un filo e si ripiegano in fibre di cromatina. Le fibre vengono quindi compattate ancora più strettamente per adattarsi all’interno del nucleo.
Alla scoperta di come il DNA raggiunge la sua forma più compatta
Per molti anni, i ricercatori non sapevano come si verificasse questo ulteriore livello di compattazione della cromatina. Nel 2019, il ricercatore dell’HHMI Michael Rosen e il suo team presso l’UT Southwestern Medical Center hanno riferito che i nucleosomi prodotti in laboratorio si raggruppano naturalmente in goccioline prive di membrana chiamate condensati. Hanno scoperto che questo processo avviene attraverso la separazione di fase, un fenomeno simile alle goccioline d’olio che si formano nell’acqua, e credono che rifletta il modo in cui la cromatina si condensa all’interno delle cellule viventi.
I condensati di cromatina sono costituiti da centinaia di migliaia di molecole in rapido movimento. Quando si uniscono, mostrano proprietà emergenti che non esistono nelle molecole individualmente. Questi comportamenti di gruppo determinano come si formano i condensati e come mantengono le loro caratteristiche fisiche.
Per comprendere queste proprietà in dettaglio, gli scienziati dovevano osservare le fibre della cromatina e i nucleosomi nelle profondità delle goccioline.
Il gruppo di Rosen, che lavora con la ricercatrice HHMI Elizabeth Villa presso l’Università della California, a San Diego; Rosana Collepardo-Guevara dell’Università di Cambridge; e Zhiheng Yu presso il Janelia Research Campus di HHMI, hanno ora raggiunto questo obiettivo.
L’imaging ad alta risoluzione rivela la struttura delle goccioline
Utilizzando strumenti di imaging avanzati presso Janelia, i ricercatori hanno catturato le viste più dettagliate fino ad oggi di come le molecole sono disposte all’interno dei condensati di cromatina sintetica. Queste immagini forniscono uno sguardo diretto su come le fibre di cromatina e i nucleosomi sono impacchettati all’interno delle strutture a forma di gocciolina. Gli stessi metodi di imaging sono stati applicati anche per esaminare la cromatina all’interno delle cellule reali.
Combinando queste immagini con simulazioni al computer e microscopia ottica, il team ha analizzato le strutture molecolari e le interazioni all’interno dei condensati sintetici. Ciò ha permesso loro di iniziare a scoprire come si formano le goccioline e come si comportano.
Una scoperta importante è stata che la lunghezza del DNA di collegamento tra i nucleosomi influenza la disposizione complessiva delle strutture. Questa disposizione determina il modo in cui le fibre di cromatina interagiscono e modella la rete all’interno dei condensati.
Queste caratteristiche hanno chiarito perché alcune fibre di cromatina subiscono la separazione di fase più facilmente di altre e perché i condensati costituiti da diversi tipi di cromatina hanno proprietà materiali distinte. I ricercatori hanno anche scoperto che i condensati sintetici somigliano molto alla cromatina compattata presente nelle cellule.
“Il lavoro ci ha permesso di legare le strutture delle singole molecole alle proprietà macroscopiche dei loro condensati, davvero per la prima volta”, afferma Rosen. “Sono certo che siamo solo alla punta dell’iceberg, che noi e altri troveremo modi ancora migliori per sviluppare quelle relazioni struttura-funzione su scala meso (intermedia)”.
Un quadro più ampio per comprendere la condensazione
I risultati si estendono ben oltre la cromatina. L’approccio offre un modello per studiare molti tipi di condensati biomolecolari, che sono goccioline prive di membrana coinvolte in compiti cellulari essenziali, dalla regolazione genetica alle risposte allo stress.
Comprendere come queste strutture si assemblano e funzionano potrebbe anche far luce su cosa succede quando la condensazione viene interrotta, un problema che si ritiene contribuisca a varie malattie, dai disturbi neurodegenerativi al cancro.
“Fando questa ricerca, capiremo meglio come la condensazione anomala potrebbe portare a diverse malattie e, potenzialmente, ciò potrebbe aiutarci a sviluppare una nuova generazione di terapie”, afferma Huabin Zhou, scienziato post-dottorato presso il Rosen Lab e autore principale della nuova ricerca.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
