Il superavvolgimento e le proteine istone-simili

Se consideriamo la lunghezza della molecola di DNA, ci rendiamo subito conto che deve esistere un'organizzazione strutturale superiore che permetta a tale molecola di essere impacchettata in una cellula. In effetti nella cellula la doppia elica di DNA viene ulteriormente attorcigliata in un processo definito superavvolgimento o supercoiling. Il superavvolgimento mette la molecola di DNA sotto torsione. Il DNA può essere superavvolto sia in senso positivo che in senso negativo. Il superavvolgimento negativo avviene quando il DNA si attorciglia intorno al suo asse in direzione opposta a quella della doppia elica destrorsa. In natura il DNA superavvolto si trova prevalentemente in questa forma con alcune interessanti eccezioni nel mondo degli Archea. Per quanto nei procarioti vi siano proteine associate con il DNA, il loro cromosoma viene generalmente considerato come DNA “nudo”. Negli eucarioti, invece, una grande quantità di proteine lega il DNA in modo molto regolare. Queste sono gli istoni che formano strutture note come nucleosomi. Nei cromosomi eucariotici, la formazione dei nucleosomi introduce nella molecola di DNA superavvolgimenti negativi. I nucleosomi sono spaziati lungo la doppia elica a intervalli regolari, ma possono aggregarsi e formare un materiale fibroso, la cromatina. Essa stessa può essere ulteriormente compattata mediante la formazione di ripiegamenti ad ansa, fino a costituire una struttura estremamente densa definita cromosoma. A lungo si è pensato che il DNA batterico, a differenza di quello eucariotico, non presentasse una disposizione compatta di tipo cromatinico. Soltanto alla fine degli anni cinquanta alcuni studi suggerirono che in realtà il genoma batterico si presentasse anch'esso in uno stato condensato e in associazione con delle proteine, dette istoni-simili, implicate nell'organizzazione strutturale del DNA. Le principali sono: HU, H-NS, IHF E FIS. HU è una proteina basica ed è la più abbondante proteina istone-simile del nucleoide batterico. Questa ha livelli intracellulari che si aggirano intorno ai 3000 dimeri per cellula e ha un peso molecolare di circa 20 kDa, ed è composta da due subunità HU-α e HU-β, codificate rispettivamente dai geni hupA e hupB. La proteina HU si lega al DNA sottoforma di tetramero, comprendo approssimativamente 60 bp. In tale complesso si riscontra una diminuzione da 10 a 8,5 del numero di coppie di basi per giro d'elica (riduzione del passo dell'elica). Il legame di HU ogni 9 bp prevede interazioni con dimeri adiacenti con conseguente formazione di una struttura solenoidale che si avvolge in senso sinistrorso.
Delezioni nei geni hupA e hupB in ceppi di E.coli hanno consentito l'isolamento sia di mutanti singoli che di doppi mutanti. L'elevata vitalità dei ceppi con mutazioni singole suggerisce che la presenza di una sola di queste proteine potrebbe rimpiazzare le funzioni dell'altra, mentre i doppi mutanti, anche se non letali, fanno un fenotipo fortemente trasformato: sono sensibili al calore e al freddo, mostrano una crescita filamentosa e hanno nucleoidi morfologicamente alterati. E' importante sottolineare che il legame di HU al DNA non richiede specificità di sequenza (non sono infatti descritte sequenze consenso), anche se avviene preferenzialmente con DNA curvo. Oltre a riconoscere regioni curve, HU interagisce con sequenze ricche in AT ed è stato suggerito che potrebbe facilitare la curvature del DNA. Analogamente a HU, H-HS (Histone-like Nucleoid Structuring protein) è una proteina piuttosto abbondante nel nucleoide batterico: è presente in quantità che raggiunge le 20000-40000 copie per cellula, è una proteina neutra, ha un peso molecolare di 15,5 kDa ed è costituita da 130/140 amminoacidi. Si tende a non includere questa proteina nelle proteine istone-simili soprattutto perché non è in grado di formare particelle nucleosoma-simili, però evidenze sperimentali rilevano, che H-NS lega fortemente il DNA provocandone una curvatura e un considerevole compattamento. H-NS mostra un'elevata affinità sia al DNA lineare che a quello superavvolto ma lega preferenzialmente DNA curvo e ricco in AT. Mutazioni del gene hns, che codifica per questa proteina, alterano il normale svolgimento di alcuni processi cellulari quale la replicazione, la ricombinazione e l'espressione di alcuni geni non correlati funzionalmente tra loro. Recentemente è stato osservato che H-HS contiene due domini strutturali indipendenti: un dominio C-terminale, coinvolto nell'interazione con il DNA, e un dominio N-terminale, probabilmente implicato nell'interazione proteina-proteina. IHF (Integration Host Factor) è, invece, una piccola proteina dimerica, basica, capace di interagire con il DNA. La proteina è un eterodimero costituito dalle subunità IHFα e IHFβ, codificate rispettivamente dai geni himA e himB e per il 30% identiche in sequenza amminoacidica. IHF ha la capacità di legare il DNA utilizzando due foglietti beta in opposizione l'uno con l'altro, e curvarlo fino a circa 140°, in modo tale che siti fisicamente distanti nella molecola di DNA possano trovarsi ravvicinati. La curvatura potrebbe favorire ad esempio, l'inizio della trascrizione portando attivatori trascrizionali, legati a sequenze enancher distanti, in prossimità del promotore, al fine di catalizzare la formazione di un complesso trascrizionale. Sebbene sia stata identificata inizialmente come host-factory (“fattore dell'ospite”), poiché implicata nel processo di integrazione del batteriofago λ, è attualmente noto che IHF è coinvolta in una serie di processi che prevedono la formazione di DNA-proteina necessari per l'inizio della trascrizione. Inoltre anche nel caso della ricombinazione sito-specifica mediata dal suddetto batteriofago, è stato dimostrato che la curvatura del DNA indotta da IHF facilita l'interazione della proteina Int con i siti di taglio situati in regioni distanti del cromosoma.
L'ultima proteina istone-simile è FIS, una proteina molto piccola, costituita da circa 100 amminoacidi, basica, capace di interagire con il DNA, codificata dal gene fis e presenta una struttura omodimerica con peso molecolare pari a 11,5 kDa. Ciascun monomero è costituito da quattro alfa eliche: le due alfa eliche situate all'estremità N-terminale, sono responsabili della formazione del dimero, le sue presenti al C-terminale interagiscono direttamente con il DNA, utilizzando un motivo elica-curva-elica. FIS interagisce con il DNA con scarsa specificità di sequenza, anche se esistono dei siti preferenziali di legame lungo il DNA che mostrano una sequenza consenso. Una delle funzioni biologiche più importanti attribuite a questa proteina è l'induzione di una curvatura del DNA intorno a 90°, che anche in questo caso rende possibili i contatti tra regioni distanti, controllando l'espressione genica.