Vol. 2° -  IV.5.

ULTRASTRUTTURA
E ORGANIZZAZIONE MOLECOLARE DEI CROMOSOMI

5.1. Struttura in sezioni ultrasottili

Fibre di cromatina: il cromosoma è costituito da fibre cromatiniche spiralizzate e accollate le une alle altre. Dato che la sezione è ultrasottile, le fibre possono essere seguite solo per alcuni tratti, troppo brevi per fornire un’idea della loro disposizione.

Cinetocore: è formato da un elemento lineare, denso, circondato da ambo i lati da una zona fibrillare meno densa. Le estremità dei microtubuli del fuso si portano nella zona fibrillare e penetrano fino all’elemento denso, formato da una coppia di fibrille avvolte ad elica, con diametro variabile da 5 a 8 nm. La regione meno densa è occupata da anse, adese con la loro estremità all’elemento denso.

5.2. Organizzazione molecolare

Contrariamente a quanto è accaduto per svariati organuli citoplasmatici, il microscopio elettronico non è stato decisivo per la comprensione dei meccanismi che portano la cromatina ad organizzarsi in cromosomi, e non ha neppure permesso un’interpretazione soddisfacente dell’ultrastruttura cromosomica. Come per le citomembrane, sono stati proposti modelli di organizzazione molecolare cromosomica che sono ancora in fieri, perché sono necessari altri dati per essere considerati modelli definitivi.

Fig. IV. 5 - Il DNA a doppia elica è contenuto nei cromosomi della cellula

Alla base dell’organizzazione molecolare dei cromosomi probabilmente si trovano le catene di nucleosomi della cromatina, i cui rapporti con le proteine non-istoniche sono complessi. Ogni catena contiene una molecola di DNA di lunghezza enorme rispetto a quella del cromosoma, valutabile in mm o cm, mentre di solito un cromosoma non è più lungo di qualche mm o decina di mm.

Esistono vari indizi per ritenere che ogni cromosoma contenga una sola molecola lineare di DNA, che cioè esso costituisca una struttura uninemale [1] . Le prove si ricavano sia dal controllo di come avviene la duplicazione del DNA della cromatina, sia dall’esame della struttura di particolari cromosomi molto despiralizzati, come quelli a spazzola delle uova di Anfibi. Sono quindi cadute le ipotesi che attribuivano ai cromosomi una struttura polinemica, ossia fatta da più filamenti distinti e paralleli di DNA.

Nella cellula vivente la cromatina non si trova sotto forma di nucleofilamento a collana di perle, in quanto è mantenuta in uno stato maggiormente condensato. I dettagli di questi livelli superiori di ripiegamento, osservabili soprattutto nei cromosomi, non sono ancora del tutto chiariti, come non lo sono anche i particolari relativi ai cambiamenti nel ripiegamento della cromatina che si verificano man mano che una cellula passa dall’interfase alla mitosi o alla meiosi e nuovamente all’interfase.

Esiste un accordo generale, derivato dalle osservazioni microscopiche, che la fibra di cromatina di 30 nm rappresenti il livello successivo di ripiegamento al di sopra del nucleosoma. Man mano che procede l’avvolgimento della cromatina, i singoli nucleosomi non sono più riconoscibili e quindi la loro disposizione nella fibra di 30 nm diventa di più difficile definizione.

La fibra di 30 nm non determina un impacchettamento della cromatina sufficiente a spiegare il grado di condensazione dei cromosomi nel nucleo. Vale a dire, un cromosoma umano medio, sotto forma di fibra di 30 nm, si estenderebbe per circa 1 mm e, come tale, sarebbe 200 volte più lungo del diametro del nucleo, pari a circa 5 mm. Deve quindi verificarsi un ulteriore ripiegamento della fibra di cromatina.

5.3. Modello a fibrilla elicoidale

Fig. IV. 6 - Fotografia al microscopio elettronico
di un cromosoma metafasico ingrandito 30.000 volte
A destra è rappresentata la struttura a fibrilla elicoidale secondo l’ipotesi di Du Praw.

Il diametro di un cromosoma, ben visibile anche al microscopio luce, è di qualche mm; la fibrilla composta da DNA e istoni, che nell’eterocromatina è larga 25 nm (ossia 1/40 di mm), è dunque ripiegata varie volte su se stessa anche in senso trasversale al cromosoma.

Seguendo l’ipotesi di Du Praw (1965) si ammette che, all’interno di un cromosoma, la fibrilla di DNA-proteine, la fibrilla elementare, formi una matassa più o meno regolare, ripiegandosi varie volte in lunghezza e larghezza, fino a costituire un grossolano filamento di notevoli dimensioni, il cromonema, che, ripiegato ad elica, forma l’asse del cromosoma.

Questo modello detto a fibrilla elicoidale si basa su osservazioni in microscopia elettronica, in base alle quali si può dimostrare che un cromosoma risulta composto da una fibrilla, intrecciata su se stessa in maniera complessa, con anse sia trasversali che longitudinali, la quale ha un diametro minimo di 25 nm. Questa fibrilla forma pacchetti di diametro sempre maggiore (50, 200, 600 nm) fino a costituire le minor e major coils visibili anche al microscopio luce lungo l’asse cromosomico.

5.4. Modello dei dominî ad ansa

Recentemente è stato proposto un modello di struttura del cromosoma che tiene conto della localizzazione, oltre che del DNA e degli istoni, anche di una quota delle proteine non-istoniche della cromatina. La novità di questo modello consiste nell’aver messo in evidenza che il cromosoma non è costituito soltanto da un filamento ripiegato di DNA e proteine, ma che possiede uno scheletro o impalcatura centrale o scaffold, di natura proteica, relativamente indipendente dal filamento di DNA e istoni, detto filamento nucleosomiale.

Tale modello, a loops radiali (loops = anse) o a microanse, si basa sull’osservazione, in microscopia elettronica, di cromosomi privati degli istoni e di circa il 70% delle proteine non-istoniche per mezzo di blandi detergenti o di soluzioni saline particolari. Così trattati, i cromosomi si presentano come strutture che conservano la forma visibile anche al microscopio luce, ma il cui DNA si spande lateralmente in anse della lunghezza media di 10-30 mm (fino a 60 mm). La morfologia cromosomica viene mantenuta dalla presenza di un’impalcatura proteica di natura fibrillare, che forma una rete centrale dalla quale si dipartono le anse laterali di DNA.

Fig. IV. 7 - Struttura di un cromosoma metafasico
secondo il modello dei domini ad ansa o a loops radiali

L’impalcatura, o scaffold, è costituita da una trentina di proteine non-istoniche in gran parte comuni alla matrice nucleare. Il DNA delle anse risulta espanso lateralmente, perché col trattamento sono stati estratti i core istonici nucleosomiali, che normalmente tengono impacchettato il DNA in strutture che sporgono solo di 3-4 mm dall’asse cromosomico.

Le anse di DNA iniziano e terminano in punti dell’impalcatura proteica contigui fra loro. Le varie anse sono unite a tale impalcatura da brevi tratti longitudinali di DNA: il DNA di un cromosoma è quindi un filamento continuo, in piccola parte aderente allo scaffold proteico, in misura maggiore espanso lateralmente in loops.

Probabilmente questo modello a loops radiali non è definitivo, perché resta da chiarire la posizione e il ruolo di quella larga frazione di proteine non-istoniche allontanata dal trattamento. Esso però ha vari vantaggi rispetto al modello a fibra ripiegata proposto da Du Praw:

o si accorda bene con le osservazioni sulla struttura dei cromosomi a spazzola ovocitari, i quali hanno un’organizzazione a loops laterali simile a quella ora descritta

o si accorda pure con le osservazioni sulla struttura dei genofori procariotici, che dimostrano come il DNA circolare dei batteri formi loops radiali attorno a uno stroma centrale fatto da RNA e proteine

o i loops radiali di DNA hanno una lunghezza che corrisponde bene a quella delle unità di replicazione o repliconi, individuabili, con esperienze di marcatura, sui cromosomi eucariotici: ogni loop sarebbe quindi un replicone

o lo scaffold centrale al cromosoma, fatto di proteine strutturali, trova un riscontro, a livello dei cromosomi meiotici, in una struttura nota da tempo col nome di complesso sinaptinemale: ciò dimostra che strutture scheletriche si rinvengono comunque nei cromosomi eucariotici e costituiscono probabilmente il risultato della riaggregazione della rete fibrillare endonucleare che è visibile solo nel nucleo intercinetico.

Secondo alcune ipotesi i loops radiali conterrebbero le frazioni trascrivibili del genoma, mentre i tratti di DNA aderenti allo scaffold, con funzione eminentemente strutturale, accoglierebbero le frazioni altamente ripetitive, e il loro ruolo strutturale risulterebbe meglio spiegato in base al modello dei dominî ad ansa.