Previsione della distribuzione di nucleosomi lungo genomi.

Mentre la struttura del nucleosoma, l'unità ripetitiva della cromatina, è conosciuta fin nei suoi dettagli molecolari, il loro impacchettamento nelle fibre di cromatina rimane un argomento controverso e non del tutto chiarito L'architettura della cromatina è infatti il risultato di una complessa gerarchia di compattamento dei nucleosomi e gioca un ruolo fondamentale nella regolazione dei processi nucleari dei genomi eucariotici. Recentemente, la determinazione della struttura cristallografica di un tetrametro di nucleosomi (Schalch et al. (2005) Nature, 436, 138-141) e la più recente proposta di una struttura interdigitata per la fibra da 30 nm basata sull'analisi di immagini in EM e cryo-EM di sequenze multimeriche di nucleosomi ricostituiti in presenza di H5 (Robinson et al. (2006) 103, 6506-6511), hanno offerto due ipotesi apparentemente diverse di architettura della fibra di cromatina. In entrambe le ricostituzioni sono state adottate, per i costrutti nucleosomali, delle sequenze periodiche di DNA provenienti da ligazioni tandem multimeriche della sequenza 601 di Widom, in grado di orientare fortemente il posizionamento dei nucleosomi lungo la catena di DNA. Nel primo caso, la lunghezza dell'unità ripetitiva di DNA era di circa 177 bp, mentre negli esperimenti di EM sono stati utilizzati diversi tratti di DNA di lunghezze quantizzate, comprese tra 177 e 237 bp con un incremento fisso di 10 bp, corrispondente, in pratica, alla periodicità della doppia elica. In vivo, il compattamento dei nucleosomi nella cromatina dipende dal loro posizionamento lungo il DNA e quindi dai tratti di DNA linker che collegano tra loro due nucleosomi adiacenti e ne determinano la mutua orientazione nello spazio; la loro lunghezza media varia a seconda delle specie e anche a seconda del tipo di cellule in una stessa specie in funzione della sequenza. Da un'analisi statistica degli intervalli di ripetizione dei nucleosomi è emersa l'esistenza di una "quantizzazione" preferenziale delle lunghezze dei linker, che risultano differire tra loro di multipli di circa 10 bp. Ciò suggerisce l'esistenza lungo la sequenza genomica di periodicità delle proprietà meccaniche statiche e dinamiche del DNA in fase con la periodicità della doppia elica, che introduce dei vincoli orientazionali dipendenti dalla sequenza tra i nucleosomi, e conseguentemente tra i nucleosomi e l'asse della fibra. Tale supposizione si ricollega anche alle evidenze sperimentali, che mostrano come l'asse della superelica del nucleosoma sia quasi perpendicolare all'asse della fibra di cromatina. Qualche anno fa il nostro gruppo ha proposto un modello teorico per prevedere la stabilità termodinamica del nucleosoma in funzione della sequenza del DNA (Anselmi et al. (1999) J. Mol. Biol. 286, 1293-1301; Anselmi et al. (2000) Biophys. J. 79, 601-613; Scipioni et al. (2004) Biophys. Chem. 107, 7-17). Il modello si basa su un approccio meccanico statistico, che permette il calcolo dell'energia libera dell'insieme canonico coinvolta nella ricostituzione competitiva dei nucleosomi, nell'ipotesi che la stabilità del nucleosoma dipenda principalmente dall'energia elastica di "bending" e "twisting" necessaria per trasformare la superstruttura intrinseca del DNA in quella del nucleosoma. Widom e coll. hanno recentemente proposto un metodo empirico basato sulla correlazione tra una data sequenza di DNA e la distribuzione media dei dinucleotidi AA,TT,TA lungo una sequenza nucleosomale standard ottenuta dall?analisi statistica di DNA nucleosomali (145 bp) di eritrociti di pollo e lievito (Segal et al. (2004) 442, 772-778). Un metodo analogo era stato proposto da noi 15 anni fa (Boffelli et al. (1991) Biophys. Chem. 39, 127-136). Il confronto con i dati di posizionamento dei nucleosomi su alcuni genomi cromosomali mostra che circa il 50-60% dell'organizzazione nucleosomale è predetta da questi metodi. Il programma di ricerca si propone di integrare il nostro metodo teorico e quello empirico di Widom per ottenere un più efficiente tasso di previsione. Inoltre, il programma prevede di introdurre accanto alle probabilità intrinseche di posizionamento dei singoli nucleosomi le probabilità condizionali che permettono la stabilizzazione delle superstrutture compatte delle fibre di cromatina di nucleosomi ricostituiti su sequenze multimeriche.