La regolazione genica si basa su complesse disposizioni strutturali e processi a livello molecolare. Uno di loro, chiamato 'estrusione ad anello di cromatina', ricorda in modo sorprendente il sistema di allacciatura rapida di alcune scarpe da trail running:quando la fibbia viene spinta verso il basso, un anello più grande è estruso sulla parte superiore. Qui avviene la trascrizione.

I recenti progressi nel campo della struttura del genoma hanno identificato che la coesina, un complesso proteico che forma un paio di braccialetti molecolari, o manette:svolge la parte della fibbia. Legandosi strettamente alle fibre di cromatina, la coesione inizialmente intrappola piccole anse di DNA. Questi anelli crescono mentre le manette di coesione scivolano lungo le fibre.

"La coesione è un pezzo centrale del puzzle della regolazione genica, ", afferma Andrzej Stasiak, leader del gruppo SIB. "C'è un acceso dibattito in corso su ciò che sta innescando il movimento di questo complesso proteico lungo la cromatina".

La coesione è nota per svolgere diversi ruoli chiave nella struttura dei cromosomi. E, infatti, se qualcosa dovesse andare storto con la coesione, possono comparire gravi anomalie dello sviluppo o forme di cancro.

Superavvolgimento come motore dell'estrusione del ciclo della cromatina

Il gruppo di modellazione del DNA e dei cromosomi di Andrzej Stasiak al SIB si è proposto di comprendere la natura del motore che spinge la coesione lungo le fibre.

Uno dei loro suggerimenti è venuto da un numero crescente di studi che mostrano che la trascrizione induce una rotazione assiale del DNA trascritto. Questo a sua volta è noto per provocare l'avvolgimento di anelli di cromatina su se stessi, analogamente a quanto mostrato in Figura 1 per i lacci delle scarpe.

Quindi il team ha simulato cosa succede quando il superavvolgimento indotto dalla trascrizione viene generato in piccoli anelli di cromatina fiancheggiati da manette di coesina.

"Abbiamo osservato che il superavvolgimento ha iniziato ad accumularsi nella porzione di cromatina fiancheggiata dalle manette di coesione, "dice Stasiak, "e, con nostra sorpresa, che il superavvolgimento stava spingendo fisicamente le manette di coesione lungo le fibre di cromatina abbracciate, in modo che il ciclo della cromatina che stavano afferrando stava crescendo attivamente, esattamente come richiesto per formare i TAD."

Questo studio modellistico pone le basi di un nuovo processo chemio-meccanico di trasduzione operante nei cromosomi, e modellarli in strutture necessarie per la regolazione ottimale dell'espressione genica.

I cromosomi cambiano ciclicamente forma durante il ciclo cellulare. Durante l'interfase, che è quando avviene la trascrizione, sono in forma decondensata e sembrano gomitoli di lana microscopici. Dentro questi gomitoli di lana, la fibra cromatinica deve acquisire una struttura particolare perché avvenga la trascrizione:i geni devono essere posti in prossimità fisica dei loro elementi regolatori. Ciò avviene all'interno di determinate regioni, noti come domini ad associazione topologica, o TAD. Si ritiene che la formazione dei TAD inizi con l'apparizione di anse in crescita nella fibra. Questo fenomeno, nota come estrusione ad anello della cromatina, è ancora considerato un puzzle meccanicistico.