Newswise – AMES, Iowa – Nelle loro lunghe stringhe di nucleotidi, le molecole di DNA contengono enormi quantità di dati genetici che forniscono istruzioni su come dovrebbero funzionare gli organismi viventi: il progetto della vita. Il modo in cui il progetto viene archiviato, tuttavia, influisce sul modo in cui viene letto e utilizzato.
Mentre le cellule si dividono e si replicano, i filamenti di DNA avvolti attorno alle proteine – la cromatina – si trovano in cromosomi strettamente legati. Dopo la divisione, i cromosomi si allentano e la cromatina è meno compatta. Come e dove la fibra della cromatina si ripiega e si avvolge su se stessa influenza i geni che vengono attivati. I risultati di un gruppo di ricerca guidato dalla Iowa State University offrono nuove informazioni su questo processo che potrebbe avere potenziali usi biomedici.
“La struttura tridimensionale della cromatina quando è ripiegata è importante per la regolazione genetica. Il punto in cui la cromatina si trova fisicamente nel nucleo è importante. L’evoluzione dei modelli di ripiegamento della cromatina altera la funzione del genoma e i programmi di sviluppo che guidano l’evoluzione fenotipica e l’adattamento ai cambiamenti ambientali”, ha affermato Nicole Valenzuela, professoressa di ecologia, evoluzione e biologia degli organismi presso la Iowa State University. “Il ripiegamento dei cromosomi rimane un po’ una scatola nera. Abbiamo imparato molto a riguardo, ma è ancora solo la punta dell’iceberg”.
La forma e la posizione dei cromosomi durante l'interfase post-divisione del ciclo cellulare influiscono sulla funzione genetica perché mette in contatto regioni non adiacenti, come sequenze potenziatrici e promotori genici. È più probabile che il DNA prontamente disponibile per l'interazione all'interno delle regioni della cromatina attiva venga espresso, mentre il DNA all'interno della cromatina repressa meno accessibile viene silenziato.
Analizzando la frequenza con cui le diverse parti delle molecole di DNA entrano in contatto tra loro, gli scienziati hanno modellato le diverse configurazioni fisiche della cromatina negli esseri umani e in molti animali comunemente studiati, inclusi topi e uccelli. Aggiungi le tartarughe alla lista, grazie a un gruppo di ricerca che Valenzuela ha aiutato a guidare. In un recente articolo su Genome Research, i ricercatori hanno descritto il loro studio sui genomi di due specie di tartarughe, che hanno mostrato una sorprendente disposizione della cromatina che non è stata osservata in altri organismi.
Un nuovo allineamento
I cromosomi hanno un punto di giunzione più sottile chiamato centromero e alle loro estremità sono protetti da sequenze ripetitive di DNA chiamate telomeri. Negli esseri umani, i cromosomi rimangono in territori separati all'interno del nucleo cellulare. Ma nelle cellule di alcuni animali, come i marsupiali, i cromosomi si raggruppano in modo che i loro centromeri possano interagire. In altri animali, come gli uccelli, si raggruppano in modo che i telomeri siano in contatto. Le tartarughe sono l’unico animale studiato finora in cui telomeri e centromeri sono allineati in modo da essere vicini gli uni agli altri. Queste differenze nel ripiegamento e nella posizione si traducono in una regolazione genetica specifica del lignaggio.
“È possibile che questa sia la condizione ancestrale degli amnioti, da cui mammiferi, uccelli e rettili si sono evoluti secondo modelli diversi. Le tartarughe potrebbero mostrarci ciò che esisteva all’inizio, facendo luce sull’evoluzione dei genomi dei vertebrati”, ha detto Valenzuela.
Imparare di più sulla struttura tridimensionale del genoma delle tartarughe e su come risponde alle condizioni ambientali potrebbe aiutare a spiegare le basi genetiche dei tratti che potrebbero essere sfruttati per usi biomedici negli esseri umani. Ad esempio, alcune tartarughe possono sopravvivere per settimane senza ossigeno, il che potrebbe portare al trattamento degli ictus. Capire come alcune tartarughe possano resistere al freddo estremo potrebbe favorire la conservazione criogenica dei tessuti umani.
“Vogliamo capire di più sul perché i diversi lignaggi sono diversi in alcuni aspetti e perché sono gli stessi in altri, quali parti condividiamo e quali differiscono”, ha detto Valenzuela, la cui ricerca si concentra sulle tartarughe. “Se riusciamo a ricostruire la storia evolutiva dei cambiamenti che hanno avuto luogo, saremo in grado di dire molto di più su come le differenze nella confezione del DNA e nel ripiegamento dei cromosomi potrebbero influenzare i tratti che ci interessano, come sono regolati i geni e come si evolvono i genomi dei vertebrati. E comprendere come la struttura della cromatina delle tartarughe risponde alle condizioni esterne andrà a beneficio anche degli sforzi di conservazione aiutando a prevedere il potenziale effetto del cambiamento ambientale sulla loro biologia».
Lo studio è stato finanziato in parte da due sovvenzioni della National Science Foundation.
Scavando più a fondo
Lo studio dell'organizzazione spaziale dei genomi delle tartarughe continuerà ad essere un punto focale per il laboratorio di Valenzuela, ha detto.
I piani futuri includono l’esame di ulteriori specie di tartarughe. Lo studio attuale riguardava le tartarughe dal guscio molle spinoso e le tartarughe muschiate giganti del nord, ma il gruppo di ricerca di Valenzuela ha già raccolto i dati per esaminare la struttura genomica di altre quattro specie di tartarughe. Le piacerebbe anche confrontare le tartarughe con coccodrilli, lucertole e serpenti per vedere se la loro cromatina si organizza secondo schemi simili.
Per scavare più a fondo sulla funzione del ripiegamento della cromatina delle tartarughe, Valenzuela studierà gli organoidi del fegato che il suo laboratorio ha sviluppato per tre specie di tartarughe: minuscole palline di cellule cresciute in laboratorio che imitano una versione semplificata del tessuto epatico.
Metodi di mappatura più sofisticati produrranno anche risultati più ricchi, compresi dati a risoluzione più elevata che producono mappe della cromatina ancora più dettagliate e tecniche per studiare come la struttura della cromatina tridimensionale cambia nel tempo e in ambienti diversi.
“Per eseguire davvero la mappatura genotipo-fenotipo, dobbiamo arrivare a questo livello di complessità”, ha affermato.
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