(DNA- Immagine:(DA SINISTRA A DESTRA) PROF. TALILA VOLK, PROF. SAM SAFRAN, DOTT.SSA DANA LORBER, DOTT.SSA DARIA AMIAD-PAVLOV E DOTT.SSA ADRIANA REUVENY. ALLONTANANDOSI DAL CENTRO. CREDITO: WEIZMANN INSTITUTE OF SCIENCE).
Se apri un libro di testo di biologia e scorri le immagini che descrivono come è organizzato il DNA nel nucleo della cellula, è probabile che tu veda catene di DNA che sembrerebbero posizionate in una ciotola di ramen: lunghi fili che galleggiano nel liquido. Tuttavia, secondo due nuovi studi, uno sperimentale e l’altro teorico che sono il risultato della collaborazione tra i gruppi della Prof.ssa Talila Volk del Dipartimento di Genetica Molecolare e del Prof. Sam Safran del Dipartimento di Fisica Chimica e Biologica del Weizmann Institute of Science, questa immagine dovrebbe essere riconsiderata. Chiarirlo è essenziale poiché la disposizione spaziale del DNA nel nucleo può influenzare l’espressione dei geni contenuti all’interno della molecola del DNA, e quindi le proteine presenti nella cellula.
Immagine: a sinistra: un’illustrazione 3D del nucleo che rappresenta al centro la teoria classica dell’organizzazione del DNA. A destra: immagine microscopica del nucleo della cellula muscolare di una larva di moscerino della frutta. Le lunghe catene di DNA (rosso) sono attaccate alla lamina nucleare (verde) – lo strato interno della membrana nucleare. Credito: Weizmann Institute of Science
Questa storia è iniziata quando Volk stava studiando come le forze meccaniche influenzano i nuclei delle cellule nel muscolo e ha trovato prove che le contrazioni muscolari hanno un effetto immediato sui modelli di espressione genica. “Non abbiamo potuto esplorare ulteriormente questo aspetto perché i metodi esistenti si basavano sull’imaging di cellule conservate chimicamente, quindi non siamo riusciti a catturare ciò che accade nei nuclei cellulari di un vero muscolo in funzione”, afferma. Per affrontare questo problema, la Dr.ssa Dana Lorber, una ricercatrice associata del gruppo di Volk, ha guidato la progettazione di un dispositivo che consente di studiare i nuclei muscolari nelle larve di moscerino della frutta. Il dispositivo trattiene la minuscola larva traslucida all’interno di un solco che le consente di contrarre e rilassare i muscoli, ma mantiene il suo movimento limitato in modo che possa essere scansionato da un microscopio a fluorescenza. Utilizzando il dispositivo, i ricercatori hanno ottenuto immagini dell’organizzazione del DNA e delle sue proteine.
Aspettandosi una ciotola di ramen piena, Lorber e la Dr.ssa Daria Amiad-Pavlov, una borsista post-dottorato nel gruppo di Volk, hanno avuto una sorpresa. Invece di riempire l’intero volume del nucleo, i “noodles” o lunghe molecole di cromatina, erano organizzati come uno strato relativamente sottile, attaccato alle pareti interne del nucleo. Analogamente all’esito dell’interazione tra olio e acqua, la cosiddetta “separazione di fase”, la cromatina si è separata dalla massa del liquido all’interno del nucleo e ha trovato posto alla sua periferia, mentre la maggior parte del mezzo fluido è rimasto al centro. I ricercatori si sono resi conto che stavano per affrontare una questione biologica fondamentale, ovvero come è organizzata la cromatina, e quindi il DNA, nel nucleo di un organismo vivente. Ma i risultati, così inaspettati e sorprendenti, affrontano una questione biologica fondamentale: come è organizzato il DNA nel nucleo in un organismo vivente.
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Dopo essersi uniti al gruppo di Safran, i ricercatori sono giunti alla conclusione che non c’era stato alcun errore. Safran e il Dottor Gaurav Bajpai hanno costruito un modello teorico che includeva i fattori fisici che regolano l’organizzazione della cromatina nel nucleo, come le forze di attrazione relative tra la cromatina e il suo ambiente liquido e tra la cromatina e la membrana nucleare. Il modello prevedeva che la cromatina dovesse subire la separazione dalla fase liquida, a seconda della quantità relativa di liquido (idratazione) nel nucleo. Inoltre, la cromatina separata dalla fase potrebbe quindi sistemarsi lungo l’interno della membrana nucleare, proprio come il team di Volk aveva scoperto nei suoi esperimenti.
I gruppi di ricerca hanno anche spiegato perché in studi precedenti di altri scienziati, la cromatina sembrava riempire i nuclei cellulari. “Quando gli scienziati posizionano le cellule su un vetrino per studiarle al microscopio, cambiano il loro volume e le appiattiscono fisicamente. Ciò potrebbe perturbare alcune delle forze che regolano la disposizione della cromatina e ridurre la distanza tra la parte superiore del nucleo e la sua base“, spiega Safran.
Per assicurarsi che questi risultati non fossero limitati alle cellule muscolari del moscerino della frutta, Lorber e Amiad-Pavlov hanno unito le loro forze con il Dr. Francesco Roncato del gruppo del Prof. Ronen Alon del Dipartimento di Immunologia e hanno esaminato i globuli bianchi umani vivi. Anche in questo caso, la cromatina era organizzata in modo simile come uno strato che rivestiva la parete nucleare interna. “Ciò ha dimostrato che ciò che avevamo scoperto era probabilmente un fenomeno generale e che questa organizzazione della cromatina era stata probabilmente conservata durante l’evoluzione“, afferma Amiad-Pavlov.
Le simulazioni 3D della cromatina rivelano che l’organizzazione della cromatina nel nucleo dipende dall’interazione fisica tra la cromatina e la lamina nucleare. Quando queste interazioni si indeboliscono (da sinistra a destra) – come nel caso di diverse malattie che vanno dalle distrofie muscolari ai disturbi neurologici – la cromatina si sposta dalla periferia del nucleo al suo centro. Credito: Weizmann Institute of Science
Lo studio apre nuove strade di ricerca sull’organizzazione del DNA nella cellula e, per estensione, sulle forze fisiche che agiscono sul nucleo e sulla cromatina che possono influenzare l’espressione genica. Una potenziale direzione indica se c’è una differenza tra l’organizzazione del DNA nella salute e la malattia. In tal caso, questa differenza può essere sfruttata nella diagnosi, ad esempio, come nuovo parametro per rilevare le cellule cancerose. Nello studio dello sviluppo embrionale, l’esplorazione dell’organizzazione del DNA può aiutare a chiarire se le forze meccaniche influenzano la differenziazione delle cellule in nuovi destini. Infine, è noto che la rigidità della superficie su cui sono posizionate le cellule può alterare l’espressione dei loro geni. Il nuovo studio suggerisce che ciò potrebbe avere a che fare con la spinta e la trazione della superficie sulla membrana nucleare e l’impatto risultante sull’organizzazione del DNA all’interno del nucleo. Una migliore comprensione di questa interazione può aiutare a controllare l’espressione genica nelle cellule impiegate per l’ingegneria dei tessuti con le proprietà desiderate. Si pensava che il DNA e la sua confezione di cromatina riempissero fino al 60% del volume nucleare. Nel loro studio, gli scienziati del Weizmann Institute hanno scoperto che la cromatina riempiva il volume nucleare solo fino al 31%.
Fonte:Science Advances
