Il DNA umano è lungo 2 metri, ma come fa a stare dentro una cellula da pochi micrometri?

Il DNA è una molecola essenziale per la vita, che con la sua caratteristica struttura molecolare a doppia elica codifica tutte le informazioni che regolano il funzionamento degli organismi. Nonostante la sua importanza, è sorprendente scoprire quanto sia lungo: il DNA umano può estendersi per circa 2 metri! Ma come può un filamento così lungo stare all'interno di una singola cellula? Beh, tutto grazie all'avvolgimento intorno ai nucleosomi, riducendo la sua lunghezza di circa 10.000 volte. Vediamo quindi nel dettaglio come funziona l'impacchettamento del DNA e quali sono i principali modelli che descrivono la sua struttura.

Dove si trova il DNA?

Le cellule animali sono rotondeggianti, delimitate da una membrana cellulare e contengono all’interno tutti gli organuli cellulari necessari al funzionamento della cellula stessa e dell’organismo. All’interno di queste unità cellulari esiste una struttura del diametro inferiore di un capello umano chiamata nucleo. Ogni cellula del corpo contiene una copia del nostro DNA all’interno del nucleo: siamo quindi formati da un numero enorme di cellule e da un altrettanto grande numero di molecole di DNA.

Ma la cosa davvero incredibile sta nella dimensione delle cellule e nella lunghezza questo filamento così importante. Nella specie umana il DNA è lungo quasi 2 metri e riesce a stare in un nucleo del diametro di pochi micrometri (μm). 

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L’impacchettamento del DNA

Riuscire a far stare qualcosa di molto grande in uno spazio ristretto è piuttosto complicato. Lo sappiamo bene: quasi certamente ognuno di noi ha a casa propria un armadio in cui butta gli abiti o gli oggetti alla rinfusa (ammettetelo!). Saprete bene, quindi, che l’unico modo per far stare tutto è dedicare del tempo a fare ordine, organizzare e piegare i vestiti. Un armadio ordinato sembra più spazioso, ma è solo un’illusione: sono gli oggetti ad occupare meno spazio perché più compatti. La stessa cosa, se vogliamo, avviene anche col DNA.

Il DNA per la maggior parte del tempo non si trova aggrovigliato a casaccio e buttato lì nel nucleo, non sarebbe nemmeno facile da trascrivere. Potrebbe sembrare un controsenso richiedere l’aiuto di “rocchetti” ma è solo grazie a loro che la struttura non si aggroviglia, si comprime ordinatamente e si svolge quando il DNA deve essere interrogato (durante la trascrizione o la duplicazione). La complessazione, inoltre, permette al lunghissimo filamento di DNA di occupare meno volume possibile.

Negli anni sono state sviluppate diverse teorie sull’impacchettamento del DNA e alcune di queste hanno dato vita a modelli considerati tutt’ora validi. In ogni caso ne sappiamo ancora troppo poco e, credeteci, validare o confutare ipotesi su argomenti di questo genere è tutt’altro che semplice.

Il modello a solenoide

Il modello classico di impacchettamento prevede che il DNA per la maggior parte del tempo si trovi complessato, associato a specifiche proteine strutturali chiamate istoni, costituendo quella che viene definita cromatina. Si tratta di un ammasso indistinto di filamento che, all’occorrenza, viene ulteriormente compattato.

Gli istoni dovete immaginarli come dei rocchetti carichi positivamente. Sono proteine che si aggregano in gruppi da 8 e che permettono al filamento di DNA di avvolgersi attorno ad essi un numero specifico di volte. In poche parole il DNA fa poco meno di un giro e tre quarti (circa 1.7 giri) attorno a questi rocchetti arrotolando attorno a queste strutture circa 150 paia di basi azotate (le coppie A-T, C-G). Il fatto che il DNA sia carico negativamente (per la massiccia presenza di gruppi fosfato lungo la catena) garantisce a questa lunga molecola di aggregarsi agli istoni con facilità per via dell’attrazione reciproca tra cariche opposte.
Se aggiungiamo un ulteriore istone a bloccare il complesso abbiamo ottenuto un nucleosoma, la subunità di base della cromatina.

A questo punto il nucleosoma, della dimensione di 11 nm (0,000000011 m, ovvero 11 miliardesimi di metro) può essere ulteriormente compattato grazie ad un breve tratto di filamento che lo separa dai nucleosomi adiacenti, chiamato DNA connettivo. Si forma una sorta di collana di perle che si aggrega ancor di più unendo “perle” consecutive.

Quando le cellule si duplicano si può raggiungere un ulteriore livello di compattamento: il DNA viene replicato per poter dividersi equamente ed essere trasferito nelle due cellule figlie ed è proprio questo il momento in cui la cromatina duplicata assume la forma di un bastoncino, il cromosoma.

Il modello zig zag

Rispetto al modello solenoide, caratterizzato da interazioni tra nucleosomi consecutivi e quindi “perle” in fila, il modello a zigzag prevede interazioni tra nucleosomi alternati. I due modelli differiscono anche nella lunghezza, traiettoria e nel grado di curvatura del DNA che collega due nucleosomi (DNA linker).

Il modello a triplo origami

Il DNA di solito si trova in forma di doppia elica, formato da due filamenti complementari uniti tra loro a formare una sorta di cerniera lampo. Oltre alla cosiddetta interazione di Watson-Crick che tiene insieme le due metà, recenti ricerche ipotizzano la presenza di un ulteriore tipo di interazione chiamata interazione di Hoogsteen.

Esisterebbero punti lungo il filamento nei quali si forma una struttura a tripla elica che ripiega e compatta il DNA generando complessi bi- e tri-dimensionali. Gli autori suggeriscono che il triplex origami, generato in laboratorio, possa però svolgere un ruolo fondamentale nel naturale impacchettamento del DNA oltre alla terapia genica, in cui è già in uso.

DNA in numeri

Sulla base dei dati in nostro possesso, cerchiamo di fare un calcolo semplificativo per comprendere meglio le unità di misura.

Considerando che un genoma umano aploide contiene circa 3 miliardi di paia di basi aggregati in 23 cromosomi e che, escluse le cellule riproduttive, la stragrande maggioranza delle nostre cellule contiene 46 cromosomi (sono quindi diploidi), ogni cellula contiene circa 6 miliardi di paia di basi. Dato che ogni coppia di basi è lunga circa 0.34 nanometri, con una semplice moltiplicazione possiamo ottenere la lunghezza del DNA umano, una misura che si avvicina a 2 metri.

L’impacchettamento in nucleosomi permette di compattare il DNA di circa 10.000 volte, passando incredibilmente da centimetri a micrometri (cm → μm)!