I ricercatori del Gerlich Group dell'IMBA, l'Istituto di biotecnologia molecolare dell'Accademia austriaca delle scienze, hanno scoperto un meccanismo molecolare che conferisce proprietà fisiche speciali ai cromosomi nella divisione delle cellule umane per consentire il loro fedele trasporto alla progenie. Il team ha mostrato come una modifica chimica stabilisce un confine netto della superficie sui cromosomi, consentendo loro di resistere alla perforazione da parte dei microtubuli dell'apparato del fuso. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature .

Quando le cellule si dividono, devono trasportare esattamente una copia del genoma in ciascuna delle due cellule figlie. La fedele segregazione del genoma richiede il confezionamento di molecole di DNA cromosomico estremamente lunghe in corpi discreti in modo che possano essere spostati in modo efficiente dal fuso mitotico, un sistema di filamenti composto da migliaia di microtubuli. Le nuove scoperte del Gerlich Research Group presso l'IMBA, l'Istituto di biotecnologia molecolare dell'Accademia austriaca delle scienze, fanno luce su come i cromosomi mitotici resistono alle costanti forze di spinta e trazione generate dai microtubuli. "In questo sistema complesso, le proprietà fisiche distinte vengono conferite ai cromosomi modificando i livelli di acetilazione dell'istone, una modifica chimica all'interno della fibra della cromatina", afferma Daniel Gerlich, leader del gruppo IMBA.

Un lavoro precedente aveva dimostrato che, nelle cellule in divisione, le fibre della cromatina sono piegate in anse da un grande complesso proteico chiamato condensana. Tuttavia, il ruolo della condensa da solo non potrebbe spiegare perché i cromosomi appaiano come corpi densi con una superficie appuntita piuttosto che una struttura sciolta simile a uno scovolino. Alcuni studi avevano suggerito un ruolo dell'acetilazione dell'istone nella regolazione del livello di compattazione durante la divisione cellulare, ma l'interazione dell'acetilazione dell'istone con la condensazione e la sua rilevanza funzionale è rimasta poco chiara. "Con il nostro lavoro, ora siamo in grado di districare concettualmente i due meccanismi", afferma Gerlich.

Il team ha variato i livelli di condensazione e acetilazione dell'istone per studiarne gli effetti precisi. La rimozione della condensa ha interrotto la forma allungata dei cromosomi nelle cellule in divisione e ha ridotto la loro resistenza alle forze di trazione, ma non ha influenzato il loro livello di compattazione. La combinazione dell'esaurimento della condensazione con un trattamento che aumenta i livelli di acetilazione dell'istone ha causato una massiccia decompattazione della cromatina nelle cellule in divisione e la perforazione dei cromosomi da parte dei microtubuli.

I ricercatori hanno ipotizzato che la cromatina sia organizzata come un gel gonfio durante la maggior parte del ciclo cellulare (quando è relativamente altamente acetilato) e che questo gel si compatta in una forma insolubile durante la divisione cellulare quando i livelli di acetilazione diminuiscono globalmente. Hanno quindi sviluppato un test per sondare la solubilità della cromatina frammentando i cromosomi mitotici in piccoli pezzi. I frammenti di cromosomi mitotici formavano goccioline di cromatina liquida, ma quando il livello di acetilazione veniva aumentato, i frammenti di cromatina si dissolvevano nel citoplasma. Queste osservazioni supportano un modello in cui una riduzione globale dell'acetilazione della cromatina durante la mitosi stabilisce un gel di cromatina immiscibile con un confine di fase netto, fornendo una base fisica per la resistenza alla perforazione dei microtubuli.

Con ulteriori esperimenti che coinvolgono la cromatina pura che è stata ricostituita in vitro e sondando l'accesso della cromatina da parte di varie macromolecole solubili, il team ha scoperto che la cromatina immiscibile forma una struttura densa di carica negativa che esclude macromolecole e microtubuli caricati negativamente. "Il nostro studio mostra come il loop del DNA da parte del complesso di condensazione cooperi con un processo di separazione di fase della cromatina per costruire cromosomi mitotici che resistono sia alle forze di trazione che di spinta esercitate dal fuso. La deacetilazione degli istoni durante la divisione cellulare conferisce quindi proprietà fisiche uniche ai cromosomi che sono necessari per la loro fedele segregazione", conclude Daniel Gerlich.