Nessun titolo diapositiva

Organizzazione della cromatina nei vegetali
I
genomi
delle
piante
superiori
possono
essere
molto grandi e complessi
Il DNA è strutturato
dentro il nucleo grazie
all’interazione
con
numerose
proteine
basiche a formare la
cromatina
DNA è più o meno
impaccato
nei
cromosomi a seconda
delle necessità della
cellula.
L’unità base della cromatina è il nucleosoma: un complesso ottamerico
formato dagli istoni H3, H4, H2A e H2B.
146bp di DNA si attorcigliano attorno all’ottamero, mentre l’istone H1
lega i nucleosomi insieme.
Questo complesso ad alto peso molecolare gioca non solo un ruolo
strutturala ma anche funzionale, soprattutto in termini di regolazione di
processi quali la replicazione, la trascrizione, il riparo del DNA, la
ricombinazione e la segregazione.
La struttura della cromatina inoltre non è statica, ma cambia in modo
dinamico in risposta a stimoli differenti.
A ciò si aggiunge che la sua conformazione può essere modificata in modo
ereditabile,senza richiedere un cambiamento dei nucleotidi.
Questi cambiamenti ereditabili attraverso la mitosi sono di solito resettati
alla meiosi per questo motivo sono chiamati epigenetici.
I cambiamenti della cromatina influenzano sia il DNA (metilazione delle
citosine) sia gli istoni (metilazione, acetilazione, fosforilazione,
rimodellamento.
La metilazione non interessa tutte le C, nei mammiferi circa il 10% di tutte
le citosine risulta metilato, mentre nelle piante si arriva anche al 30%.
Nei mammiferi sono principalmente C nel dinucleotide CpG, per cui circa il
70% dei gruppi CpG è metilato. I gruppi CpG nei mammiferi sono poco
diffusi, però si ritrovano spesso concentrati in quelle che si chiamano ‘isole
CpG’. Coprono solo l’1% del genoma (circa 45000 isole per genoma) e solo il
15 % dei siti CpG, ma contengono più del 50% delle C non-metilate. Sono
tipicamente localizzate vicino ai promotori di geni costitutivi e di molti
tessuto specifici.
Nelle piante la percentuale è variabile inoltre si trova anche molta
metilazione in siti CpXpG e CpXpX.
La metilazione delle citosine avviene sia in siti simmetrici (CG e
CNG) sia non simmetrici (CNN) soprattutto nelle piante.
Nei mammiferi la metilazione varia in funzione dello stadio di sviluppo e del tipo
di tessuto. Nelle piante le differenze non sono così marcate.
La metilazione del DNA è compiuta da
un gruppo di proteine note con il
termine di DNA Metiltrasferasi, DNA
METasi:
-di mantenimento (MET1)
-specifiche per CNG (chromoMETase)
-metilazione de novo (Dnmt3)
Si sa ancora poco sul meccanismo di
demetilazione.
La metilazione del DNA è implicata in
numerosi fenomeni quali:
Condensazione del cromosoma X,
Regolazione oncogeni,
Riparo del DNA,
Silenziamento di (trans)geni
Repressione trascrizionale.
Mutanti privi
anomalie di
embrionale.
di METasi mostrano
sviluppo o letalità
Gli effetti della metilazione sono mediati da proteine MBD capaci
di legare specificamente il DNA metilato su CpG
Le modifiche post-traduzionali degli istoni sono molto eterogenee e
si verificano a carico delle loro code amino-terminali.
Acetilazione: dal 1964 è noto che l’acetilazione è correlata con
l’attivazione genica, è a carico di residui di lisina grazie all’azione di
istone acetiltrasferasi HAT. Può essere rimossa dalle HDAC.
H4: mainly acetylated
in animals and fungi at
K5, K8, K12 and K16
H3: also acetylated in
plants at K9 and K14
Conseguenze strutturali e funzionali
Le code istoniche acetilate sono meno negative, per cui la loro
interazione col DNA è più debole  cromatina è più rilassata
(configurazione aperta)  trascrizionalmente attiva
I profili (de)-acetilati possono essere trasmessi durante la
replicazione del DNA grazie all’azione di HAT e HDAC in modo
semiconservativo.
Un’altra modifica istonica è la metilazione delle lisine (K) or arginine (R)
da parte di istone metiltrasferasi.
La metilazione degli istoni è considerato un carattere permanente
è non si può sovrapporre ad altre modifiche:
se H4 è metilato sulla K16 non può essere acetilato e viceversa.
H3K9met e H4K20met sono marchi epigenetici associati con
domini silenti della cromatina e con l’eterocromatina, cioè
marcano regioni trascrizionalmente inattive.
Al contrario H4K16acet è di solito associata con regioni
trascrizionalmente attive della cromatina.
Inoltre si è visto che esiste un legame tra modiche degli istoni e
metilazione del DNA: H3K9met è infatti capace di indurre
metilazione del DNA in regioni eterocromatiche.
Altre modifiche istoniche sono la fosforilazione, soprattutto su serine
e l’ubiquitinazione delle lisine su H2A e B.
H3Ser10Pho marca di solito la cromatina trascrizionalmente attiva e
può interferire con altre modifiche: per es. blocca H3Lys9Met e
viceversa, ma promuove l’acetilazione di H3Lys14;
H4LysAcet inibisce invece H4Arg3met.
Il codice istonico
Come vengono decifrati questi vari segnali?
Una vasta schiera di proteine riconoscono
queste modifiche, le legano e scatenano
una serie di reazioni a cascata che causano i
diversi effetti (repressione trascrizionale e
la condensazione della cromatina).
Per es.:
le proteine MBD richiamano le HDAC, che
reclutano le HMT.
Altre proteine importanti appartengono alle macchine
rimodellamento della cromatina ATP-dipendente, CRMs.
di
Questi complessi enzimatici modulano la fluidità della cromatina
lavorando sulla distribuzione dei nucleosomi lungo il DNA,
permettendo così l’interazione tra il DNA ed i vari fattori di
legame al DNA.
Le CRM hanno un dominio ATPasico DNA-dipendente che le
consente di spostare ottameri istonici facendoli slittare lungo il
DNA creando o limitando gli spazi tra nucleosomi.
L’effetto memoria tipico dei fenomeni epigenetici è invece
garantito dall’azione di un altro gruppo di proteine:
Le proteine del gruppo Polycomb PRC e trithorax trxG che formano
dei grossi complessi mutliproteici implicati nel mantenere fisso un
determinato stato trascrizonale, soprattutto di geni chiave che
regolano lo sviluppo dei vari tessuti in animali e piante.
Queste proteine mantengono un particolare stato cromatinico nella
regione target rendendone possibile la trasmissione alle cellula figlie
dando quindi una ‘memoria’ a lungo termine alla modifica
epigenetica.
PRC non inducono da sole la repressione del gene, ne mantengono lo
stato cromatinico durante la crescita della pianta.
Esempio: repressione genica
1- deacetilazione degli istoni
2- metilazione H3K9 che porta alla formazione di eterocromatina
3- le PcG riconoscono questa struttura
4- vengono richiamati altri fattori.
Molti stadi di sviluppo sono regolati per mezzo di controlli epigenetici:
Gametogenesi
Sviluppo del seme
Morfologia fogliare
Fotomorfogenesi
Transizione fiorale
Vernalizzazione
The activation state of the
PcG protein target FLC is
illustrated throughout the
plant life cycle. a, FLC is
transcriptionally active in
seeds
and
seedlings,
preventing the plant from
flowering and prolonging
vegetative development. b,
Exposure to a long period of
cold (that is, vernalization)
results in the expression of
VIN3 (red), which initiates
repression
of
FLC
transcription,
and
the
binding of the PcG protein
VRN2, as well as VRN1 and
LHP1 (blue).
In this process, chromatin at FLC is epigenetically modified by the trimethylation
of H3K27. c, After warmer temperatures return, FLC repression is maintained,
allowing flowering to be induced by other cues. f, PcG-protein-mediated repression
at FLC is removed during an undefined resetting process.
Seed development:
Endosperm development depends on a correct dosage
between maternal and paternal genomes (usually the ratio is
2m:1p). The two genomes are differentially expressed at
several loci, with a preference for a paternal gene silencing:
imprinting.
Mutations in any one of these genes FERTILIZATION
INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE), FERTILIZATION INDEPENDENT
SEED 2 (FIS2) and MEDEA (MEA), when maternally inherited,
cause endosperm overproliferation, arrested embryo
development and seed abortion.
By contrast, inheritance of a mutant paternal allele has no
detectable effect on seed development.
They encode PcG proteins.