Istoni: caratteristiche principali
Con il termine istoni si indicano le proteine basiche associate alla cromatina, la forma condensata che il DNA assume nel nucleo delle cellule eucariote. Per compattarsi infatti l’acido nucleico si avvolge intorno a queste strutture proteiche, che nel caso delle cellule umane si possono suddividere in cinque classi principali.
Una delle caratteristiche principali di questa tipologia di proteine è che la loro struttura si è mantenuta molto conservata lungo il corso dell’evoluzione. Le cinque classi nominate infatti si trovano anche in tutti gli altri organismi viventi, anche se alcuni non le hanno tutte.
Le diverse classi degli istoni
Per distinguere fra di loro queste proteine si utilizzano cinque classi funzionali, che vediamo di seguito:
- La tipologia H1 comprende dei peptidi di piccole dimensioni con carica positiva, il cui ruolo principale è far condensare i nucleosomi in fibre da 30 nm. Ogni nucleosoma è formato da cromatina avvolta intorno a un centro proteico di otto proteine istoniche. A livello strutturale si presenta formata da un nucleo globulare e due code che si estendono verso l’esterno.
- Gli istoni H2A e H2B si chiamano così perché quando si legano al DNA si uniscono formando un dimero. Il monomero H2A ha una struttura che prevede un dominio globulare e una singola coda amminoacidica che si prolunga dalla sua estremità N-terminale. H2B è un peptide molto piccolo, lungo appena 126 amminoacidi, con struttura α elica e senza coda terminale.
- La tipologia H3 ha una struttura dimerica composta da due subunità uguali. Pur essendo molto conservata nei mammiferi esistono ben 7 forme di questo tipo di proteina istonica, di cui una delle più importati è la variante H3.3. Pare che abbia un ruolo fondamentale per mantenere integro il materiale genetico durante lo sviluppo dell’embrione.
- Le proteine H4 sono dei dimeri, esattamente come le H3, e si combinano con queste andando a formare un eterotetramero. Questa struttura si posiziona al centro del nucleosoma. Una minima mutazione nell’istone H4 può provocare la morte cellulare, ed è ancora più corta della proteina H2B, poiché conta solo 103 amminoacidi nella sua struttura primaria.
Il ruolo di queste proteine
Nella vita della cellula gli istoni hanno due funzioni fondamentali. La prima è di carattere strutturale, in quanto hanno la capacità di impacchettare e indurre la condensazione della cromatina.
Al punto che il DNA cellulare, che se srotolato completamente è lungo più di due metri, si riduce a un ammasso del diametro di appena 5 nm. Per questo si vengono a formare i nucleosomi.
Queste strutture compatte di DNA rappresentano solo il primo livello di avvolgimento di questo acido nucleico. Si collegano uno all’altro grazie alla presenza delle proteine H1, che hanno anche il ruolo di ripiegare ulteriormente il DNA. Perché questo avvenga i diversi nucleosomi devono interagire fra di loro e avvicinarsi, e H1 funge da linker.
L’altra funzione che svolgono gli istoni è quella di regolare l’espressione genica. Queste proteine possono ricevere delle modifiche a livello chimico che possono attivare o disattivare alcune porzioni di cromatina. Di conseguenza alcuni geni possono essere espressi e altri essere silenziati. Le modifiche più frequenti sono la metilazione, l’acetilazione e la fosforilazione.
A mediare queste alterazioni della struttura chimica delle proteine istoniche ci sono degli enzimi (es. DNA metiltransferasi). Questi intervengono a livello delle code amminoacidiche che sporgono all’estremità N-terminale descritte al paragrafo precedente. I gruppi funzionali che gli enzimi si aggiungono a questi residui modificano infatti la carica positiva delle proteine, abbassandola.
La regolazione epigenetica mediata dagli istoni
La branca dell’epigenetica studia tutte le modifiche che portano a variazioni nell’espressione dei geni che non dipendono da mutazioni della sequenza di DNA. Ciò nonostante si tratta di variazioni ereditabili fra una generazione e l’altra, che possono essere dovuta all’influenza ambientale o al rimodellamento della cromatina dovuto.
Attraverso l’acetilazione (aggiunta di un gruppo -COCH3) dei residui di lisina legati agli istoni ad esempio è possibile attivare la trascrizione dei geni. La carica delle proteine cambia e di conseguenza legano in modo medo serrato il DNA, inducendo un rilassamento della cromatina, che diventa così accessibile ai fattori di trascrizione.
L’acetilazione è un processo reversibile grazie all’azione di enzimi chiamati istondeacetilasi (HDAC), che come le istonacetilasi (HAT) dipendono dall’ATP. La metilazione delle proteine istoniche può invece avere due possibile esiti, perché a seconda dei casi può inibire oppure indurre la trascrizione delle regioni di DNA. A determinare l’uno o l’altro effetto è la tipologia di residuo a cui si aggiunge il gruppo metile ( –CH3).
Se si lega alle arginine per esempio la cromatina si attiva, con le lisine invece l’effetto che si ottiene è opposto. Anzi, può portare alla perdita di parti del cromosoma. In tutto sono 24 i possibili siti dove queste proteine si possono metilare. La lisina in posizione 9 della proteina H3 per esempio è un sito che può accettare sia gruppi metile che acetile.
Le varianti istoniche
Un esempio è H2A.Z che nelle piante può indurre il silenziamento di alcuni geni, omologa al 60% ad H2A e che si trova nelle piante.
