Confini e Territori
Molto spesso nei libri di testo di biologia molecolare si trova pochissimo spazio dedicato a fenomeni che mi sembrano di grandissima rilevanza nella comprensione di molti processi. Probabilmente questo è dovuto al fatto che sovente non si hanno sufficienti informazioni, oppure se ce ne sono appaiono contraddittorie.
In questo piccolo intervento volevo parlare di una cosa secondo me di un interesse sconvolgente: l’organizzazione tridimensionale del genoma. Detto così non mi sembra di essere stato molto chiaro; cercherò di rifarmi qui di seguito.
Probabilmente molti di voi sono a conoscenza del fatto che la più grande unità organizzativa del genoma, eucariotico per lo più, è il cromosoma. Negli eucarioti ciascun cromosoma occupa un particolare volume nel nucleo cellulare chiamato territorio cromosomale e quel che più importa questo territorio, nel nucleo di una cellula in interfase, non è casuale.
Diversi lavori, tra cui uno in particolare a cui mi sto riferendo, hanno dimostrato che i diversi cromosomi di topo hanno un posizionamento tessuto-specifico all’interno del nucleo cellulare, con i cromosomi particolarmente ricchi di geni disposti verso il centro e quelli poveri di geni verso la periferia. Solitamente, inoltre, la maggior parte dei cromosomi disposti in periferia, erano per la maggior parte condensati in eterocromatina (e quindi trascrizionalmente inattivi).
La disposizione specifica dei cromosomi ha ancora degli aspetti poco chiari. Funzionalmente sembrerebbe servire per ottimizzare la regolazione dell’espressione genica, facendo in modo che geni che devono essere trascritti simultaneamente si trovino nella stessa area, aumentando così le probabilità che la trascrizione non solo avvenga, ma anche nei tempi corretti. Questo perché i geni trascritti intensamente si localizzano nelle cosiddette “fabbriche di trascrizione” (trascriptional factories suona meglio) che sono zone in cui la concentrazione di RNA polimerasi II e di fattori di trascrizione è particolarmente alta. Queste factories sembrano essere meno dei geni attivamente trascritti, pertanto è utile alla cellula localizzare tutti i geni utili in queste zone.
L’aspetto veramente interessante secondo me viene adesso: diversi geni, ma sarebbe più appropriato dire diversi loci, possono in qualche modo allontanarsi dal territorio del cromosoma di appartenenza, pur facendone ancora parte! Non so se sono stato chiaro; immaginate di avere dei gomitoli (supponendo che ciascun gomitolo sia fatto da un unico filo molto lungo e altamente convoluto) posizionati e fissi: questi sono i nostri cromosomi; ora prendete un ansa di filo di un gomitolo e tiratela in modo da farla districare dal resto per avere un loop fisicamente distante dal gomitolo di appartenenza, ma senza che ne sia staccato.
Quindi i cromosomi non solo non sono più entità fisse e statiche, ma i loro territori e i loro confini non sono più così netti come si pensava!
Alcuni cluster di loci, dove per cluster si intende gruppo, pur trovandosi su cromosomi differenti, riescono ad allontanarsi dal territorio di appartenenza, avvicinarsi, ed essere trascritti insieme, soprattutto se sono geni la cui funzione è correlata. Inoltre, che questo evento, di cui ci sono ancora diversi lati oscuri, sia almeno in parte correlato all’attivazione/repressione trascrizionale sembra essere dimostrato dal fatto che, inibendo la RNA polimerasi II, diminuisce significativamente.
Un fenomeno molto interessante che si è osservato, inoltre, riguarda il cromosoma X inattivato. Forse alcuni di voi sapranno che in cellule in cui è presente più di un cromosma X, (quindi negli esseri umani esclusivamente nelle femmine), solo uno di questi è attivo, mentre l’altro (o gli altri) è inattivato in maniera pressochè irreversibile. L’inattivazione del cromosoma X in più avviene attraverso una condensazione del DNA molto accentuata (eterocromatina); questa condensazione fa sì che i geni in questione non vengano trascritti. Quello che si è notato è che alcuni loci del cromosoma X inattivato sfuggono a questa condensazione proprio perché “scappano” dal territorio cromosomale. In questo modo evitano il silenziamento e sono belli attivi. Questo porta a dire due cose: la prima è che i geni, i loci in generale, non sono fissi, si muovono, si spostano all’interno del nucleo (pur rimanendo sempre al loro posto nel cromosoma); se questo movimento sia attivo o passivo non si sa. Al momento ignoro anche se sono stati scoperti dei “motori molecolari” che eseguono questo spostamento.
La seconda cosa, forse ancora più importante è che spesso si tende ad ignorare una cosa in biologia: il contesto spazio/temporale. Gli eventi, i processi che si svolgono sono influenzati sia dal tempo (nel senso che un evento non ha le stesse probabilità di avvenire in ogni istante, ma avrà dei momenti in cui le probabilità saranno maggiori o minori) che dallo spazio: in questo caso abbiamo visto come l’attivazione dei geni sia dovuta al luogo ed al momento in cui si vengono a trovare. Questo sembra banale, però io personalmente non ho quasi mai visto sui testi un accenno a queste due variabili, che pure, voglio dire, sono di fondamentale importanza.
Come sempre, spero di non avervi annoiato. Scrivete commenti e se avete qualsiasi osservazione o critica da fare, fatela!
Al prossimo post (chissà, magari varierò un po’ ..)
Tags: Biologia molecolare, DNA, Epigenetica
febbraio 19th, 2010 at 02:04
Sempre molto interessanti e affascinanti questi post.
E io approfitto di questi spunti (e di questo spazio dei commenti) per qualche considerazione estemporanea (no, questa volta niente domande).
Sarà infatti la deformazione professionale del fisico, ma questa storia della rappresentazione, come dire, “cinematica”, della biologia molecolare (ha) tormenta(to da) sempre anche me.
Quando si legge che quella tal proteina si aggancia a quel tal frammento di RNA e comincia a tagliarlo lì, ricucirlo là, tradurlo così, copiarlo cosà, et cetera, sono irresistibilmente portato ad immaginarmi la scena come un cortometraggio di piccoli esserini fatti a collana di basi o peptidi che si muovo e interagiscono come animaletti magici. La cosa ovviamente mi puzza troppo di prosopopea e allora mi sforzo di rappresentarmi la cosa à la Boltzmann, come un brodo colorato, un variegato stato colloidale in cui sono dispersi una quantità quasi-avogadrica di questi esserini, che si muovono come in una rapsodia quasi-browniana, col risultato semplicemente statistico di una, chessò, trascrizione o di una replicazione di una frazione significativa di, e non di tutti, quegli esserini dispersi nel brodo.
Tradisco la promessa del paragrafo di sopra e faccio una lo stesso una domanda: è più o meno corretta la mia semplificazione?
E del resto tutte quelle mie domande negli altri post su come i ricercatori manipolano davvero le macromolecole (cosa vuol dire prendere l’enzima tal dei tali per innestare lì quella cosa là? Non hanno mica le pinzette per prendere enzimi o flauti magici per costringerli a fare cose…) non erano altro che il tentativo di risolvere questa tensione fra una rappresentazione “newtoniana”, che zoomma sulla singola macromolecola e il suo agire operoso, ed una più “statistica”, che si allontana per vedere un semplice shakeraggio autoorganizzato.
febbraio 19th, 2010 at 12:19
Secondo il mio punto di vista la seconda visione “à la Boltzmann” è molto più rappresentativa di ciò che realmente accade all’interno della provetta (e della cellula).
La rappresentazione “tizio si lega a caio, interagisce con sempronio ecc. ecc.” è chiaramente una semplificazione.
Basti pensare all’unità di misura comunemente utilizzata dai biologi per gli enzimi: le UNITA’. Cosa è un’unità? E’ una grandezza che cambia a seconda dell’enzima e della reazione chimica che catalizza. Si ottiene misurando il prodotto finale della reazione. Ad esempio una unità di DNA polimerasi è la quantità di enzima che incorpora 10 nanomoli di nucleotidi in forma di acido insolubile in 30 minuti a 74 gradi centigradi.
Dire che la DNA polimerasi si lega al DNA, recluta i nucleotidi eccettera, è evidentemente una ricostruzione semplicistica di ciò che avviene. Siamo nel mondo dell’infinitamente piccolo, un mondo per il quale l’evoluzione non ci ha fornito di sensori adeguati, qualunque ricostruzione non può che essere semplicistica. Immaginiamo di non avere gli occhi : potremmo misurare la luce a diverse lunghezze d’onda, ma non riusciremmo mai a comprendere i colori.
febbraio 19th, 2010 at 14:12
Devo dire che hai colto perfettamente il messaggio subliminale di questo post. Quando effettivamente si parla di trascrizione, traduzione e di biologia cellulare e molecolare in generale si ha un po’ l’idea, ma anche se leggi lavori specialistici, che tutto accada così perchè deve accadere, come in una catena di montaggio. viene A che reagisce con B che reagisce con C che ovviamente sulla sua via trova D, ci si lega assieme, viaggiano per la cellula e attivano E, F, G, H e I che ovviamente erano già lì pronti e non aspettavano altro. sembra davvero che certe cose accadano per magia.
Anche quando osservi gli schemi che ci sono sui libri e sugli articoli rimani un po’ sbalordito e ti chiedi come sia possibile. Proteine schematizzate come cerchi o quadrati che interagiscono con altre decine di componenti per dare un risultato. Sembra davvero una bella storiella da raccontare ai bambini prima di andare a dormire.
In realtà hai ragione tu. Si tratta di probabilità. Quando tu studi un fenomeno in biologia, come credo sia anche in fisica, tu hai solo una certa probabilità che il fenomeno avvenga! probabilità che dipenderà da una miriade di fattori, per lo più a te sconosciuti.
Ritornando all’esempio stupido che ho fatto prima, abbiamo A che attiva B che attiva C ecc… beh c’è solo una determinata probabilità che A attivi B e quesata probabilità non è costante nel tempo e nello spazio. Dipenderà innanzitutto dalle loro concentrazioni, quindi dalla loro rispettiva localizzazione, dalla concentrazione di altri fattori che possono influire negativamente o positivamente su questa interazione. Come vedi nulla di deterministico.
Ora però tu hai detto “mi sforzo di rappresentarmi la cosa à la Boltzmann, come un brodo colorato, un variegato stato colloidale in cui sono dispersi una quantità quasi-avogadrica di questi esserini”.. dunque.. non capisco bene cosa significhi à la Boltzman perchè sono un profondo ignorante, però quando dici un brodo colorato non volevo che ci fosse l’idea che sia come in un calderone in cui tutto è mischiato e disordinato. La mia scrivania può essere disordinata (e lo è), non una cellula. Quello che mi ha sempre affascinato è l’ordine complesso con cui nella cellula si orchestrano tutte le migliaia di processi che avvengono… mi sembra quasi di senitre una sinfonia di Beethoven. Quindi tutte le componenti che contribuiscono a rendere funzionante il sistema cellulare sono estremamente ordinate, compartimentalizzate e strutturate e in continuo dinamismo. So che questo può sembrare in contraddizione con quello che ho detto prima, ma non è così. Quest’ordine è necessario per rendere i processi cellulari altamente probabili in certe condizioni e improbabili in cert’altre.
spero di essere stato chiaro e se ci sono altri dubbi, domande o riflessioni continua a farle…
febbraio 19th, 2010 at 14:30
Scusate ho avuto dei problemi col server e non mi ha mostrato il commento di Andrea Altana se non dopo aver pubblicato il mio.
In ogni caso sono d’accordo. Tutti gli schemi e le spiegazioni che possiamo dare sono comunque delle semplificazioni visto che lavoriamo con cose che non vedremo o percepiremo mai con i nostri sensi.
febbraio 19th, 2010 at 20:22
Su di un punto non sono d’accordo con Manuel: quando dice che la probabilità che un fenomeno biologico avvenga dipende da fattori non prevedibili. Spesso questi fattori sono prevedibili eccome! Se io lancio un sasso posso determinare esattamente il punto in cui cadrà, in maniera perfettamente “deterministica”. Ma se volessi sapere cosa avviene in ognuno degli atomi che compongono il sasso, allora sarebbe davvero tutto un altro paio di maniche, e dovrei affidarmi alla probabilità. Anche in biologia direi che è lo stesso: se mescolo X moli di un enzima ad Y moli di substrato potrò calcolare in maniera deterministica le Z moli di prodotto che otterrò. Ma cosa diavolo è successo dentro quella provetta posso solo ricostruirlo statisticamente. Il punto è che risulta piuttosto difficile anche solo figurarsi cosa realmente siano questi “cerchi e quadrati” che troviamo negli schemi dei libri di biologia. A questo proposito ricordo ancora lo sbigottimento che provai quando scoprii che un elettrone poteva trovarsi in una posizione A oppure, alternativamente, in una posizione C. Ma la probabilità che si trovasse in B, posizione intermedia ad A e C, era nulla. E come se dicessi che un treno che va da Roma a Milano ha probabilità nulla di trovarsi a Firenze! Ma gli oggetti stessi che studiamo sono fatti in questo modo!
Come possiamo pretendere di comprendere il comportamento di ciò che descriviamo risolvendo una funzione di probabilità? La nostra realtà, il nostro mondo, è fatto di COSE e non di astratti concetti matematici. Eppure grazie a quegli astratti concetti matematici riusciamo a migliorare la nostra vita, ad esempio producendo farmaci in grado di salvare la vita alle persone.
febbraio 19th, 2010 at 20:35
Interessantissimo. Ci consigli qualche lavoro in merito da leggere?
febbraio 20th, 2010 at 19:39
Mi sono espresso male con: la probabilità che un fenomeno biologico avvenga dipende da fattori non prevedibili. effettivamente il termine prevedibile è scorretto. Credo che sarebbe stato meglio avessi scritto che un determinato fenomeno biologico è influenzato da un numero estremamente alto di fattori che possono aumentare o diminuire le probabilità che quel determinato fenomeno avvenga; il problema è che molto spesso noi non conosciamo tutti questi fattori, o se li conosciamo non sappiamo l’esatto contributo che danno. Non è che non li conosciamo perchè è impossibile conoscerli, ma non li conosciamo per motivi puramente pratici. Però, ammettendo che si conoscano i fattori più importanti in modo da poter ignorare quelli meno influenti, è possibilissimo prevedere una gran quantità di processi biologici attraverso software (che di solito il biologo non capisce come funzionino). Il punto è che per fare previsioni attendibili devi avere una grande quantità di informazioni (concentrazioni, coefficienti di diffusione, devi conoscere come gli elementi interagiscono ecc..) che spesso non possiedi.
Proprio per cercare di ovviare a queste numerose lacune (che pian piano si stanno riempiendo grazie appunto all’intervento di matematici, fisici e bioinformatici,) in una procedura sperimentale in biologia spesso sono più numerosi i punti di controllo che le effettive prove sperimentali.
Quello che dici, Andrea, è oltremodo giusto a mio avviso. Quello che accade a livello macroscopico lo posso prevedere deterministicamente, quello che accade a livello atomico o molecolare posso solo cercare di prevederlo statisticamente. Non avrò mai la certezza deterministca.
Alice, purtroppo temo che i lavori siano un po’ troppo specifici e tecnici, ma credo che ci sia qualche ottima review che ti posso consigliare.
febbraio 22nd, 2010 at 10:55
No, no, Manuel, hai colto bene: con “à la Boltzmann” intendevo proprio “un calderone in cui tutto è mischiato e disordinato”; e appunto anche questa immagine mi sembrava una semplificazione eccessiva, di segno opposto a quella degli animeletti “senzienti”, ma pur sempre una semplificazione.
Forse la semplificazione à la Boltzmann è più vicina al vero in provetta, e la semplificazione à la Beethoven più vicina al vero nella cellula.
O forse è tutto questione di scala, e le due semplificazioni non si contraddicono. Forse (e dovete dirmi voi quanto irragionevoli può essere l’immagine che segue) la cellula è enorme rispetto alla taglia molecolare e l’ordine della cellula può non escludere il quasi-equilibrio (i.e. caso e disordine) chimico-termodinamico su scala molecolare.
Forse il tasso di replicazione, di traduzione, di espressione, etc sono, sì, dati certi coefficienti di diffusione, “solo” l’effetto statistico di opportune concentrazioni, come quelle che si possono ricreare artificialmente in provetta, ma queste concentrazioni sono create in precisi momenti e in precisi luoghi e circoscritti della cellula, con estrema cura e precisione.
Non so se un simile quadro ha un qualche senso, ma non sono nemmeno sicuro che sarebbe sufficiente a risolvere il paradosso ordine/disordine. Forse si limiterebbe solo a spostarlo di livello…
En passant, Andrea, mi spiegheresti meglio questa cosa delle UNITA’ per gli enzimi?
febbraio 22nd, 2010 at 10:59
Felice di avervi ritrovato dopo qualche vicissitudine che mi ha tenuta lontana dal web! Ho moltissimi post da recuperare, vedo…bene bene!!!
febbraio 22nd, 2010 at 21:15
X HROMIR
Nella tua analisi manca un aspetto essenziale, ciò che definirei come il filo di Arianna per comprendere quel curioso fenomeno naturale che chiamiamo vita ossia l’EVOLUZIONE.La contraddizione fra un processo ordinato ed un processo casuale è una contraddizione solo apparente: il senso comune tende ad escludere che un processo finemente regolato possa originare dal caso. Anche in questo caso, però, il “buon senso” ci trae in inganno. Quel microscopico ed incredibilmente complesso macchinario molecolare rappresentato dalla cellula è il frutto di miliardi di anni di evoluzione nei quali piccolissimi cambiamenti originati casualmente si sono accumulati in una direzione, una direzione che però è tutt’altro che casuale! Ogni passo nella direzione sbagliata infatti è stato pagato con la morte o con l’estinzione. Contemporaneamente i piccolissimi passi nella direzione giusta si sono accumulati ad uno ad uno, giorno dopo giorno,anno dopo anno, per miliardi di anni sino ad ottenere un risultato talmente complesso da essere stupefacente e da farci immaginare un “progetto” alla base di ciò che osserviamo.
Il grande biologo-evoluzionista Richard Dawkins definisce tale percorso come “la conquista del monte improbabile”: il monte è stato scalato un passettino alla volta per miliardi di anni ed ora che siamo in cima, a guardare di sotto, ci vengono le vertigini….
X ALICE
Sull’argomento del post precedente mi sento di consigliare il libro “Meccanica quantistica e senso comune” scritto da Albert David Z. ed edito da Adelphi. E’ davvero bellissimo e richiede una conoscenza della matematica a livello di scuola superiore.
febbraio 22nd, 2010 at 22:00
Grazie del consiglio. Sarà una lettura a cui mi dedicherò molto volentieri visto che sono malata di meccanica quantistica in modo decisamente irreversibile! :-)
febbraio 22nd, 2010 at 23:55
Grazie Andrea, avevo già sentito parlare di questa cosa dell’evoluzione ;-)
Preferivo un accenno in più al concetto di unità di enzima (ho trovato qualcosa su wikipedia ma sospetto avessi qualcosa di più interessante da dire sul tema di questo post…).
En passant, non credo che sia necessario tirare in ballo la meccanica quantistica per i processi biologici, non almeno nei suoi effetti più caratteristici come l’entanglement o le sovrapposizioni coerenti. Senza che, con questo, voglia distogliere Alice dal suo desiderio di approfondimento :)
Per precisare il senso del mio commento, contrapponevo l’ordine al caos in senso descrittivo, cercando di figurarmi se il metabolismo cellulare, che certamente non può che essere un processo mirabilmente ordinato, fosse ordinato a livello di singole macromolecole e delle loro interazioni steriche o piuttosto a un livello un po’ superiore, a livello di regolazione delle concentrazioni dei reagenti.
marzo 2nd, 2010 at 18:39
ok.. scusate il ritardo imperdonabile, ma dovevo studiare per gli esami ç__ç.. e ora che ho terminato questa sessione posso riprendere la normale attività XD
innanzitutto sono contentissimo che caracolita ci abbia ritrovati!!!! mi chiedevo dove fosse finita e finalmente è riapparsa!!!! continua a seguirci, come sempre!
poi, hronir, l’unità enzimatica è una semplice unità di misura da laboratorio.. ed è la quantità di enzima che converte una micromole di substrato in prodotto nell’unità di tempo. non tutti sono d’accordo nell’usarla.. comunque è abbastanza pratica.. soprattutto se devi fare dei dosaggi enzimatici.. se si usassero semplicemente le unità di misura come moli e molarità avresti l’incomodo di doverti andare a calcore il peso molecolare dell’enzima stesso.. senza contare che l’unità enzimatica ti dà anche informazioni sulla processività dell’enzima. La misura della quantità dell’enzima, forse ti chiederai, come si fa ad ottenere? Molto spesso in modo indiretto attraverso l’assorbanza.
rispondendo alla tuo secondo commento, sono sufficientemente sicuro nel dirti che in molti casi l’ordine è sia a livello delle concentrazioni dei singoli reagenti (enzimi, substrati) sia a livello molecolare in senso stretto (tieni conto che in molti processi le proteine sono già disposte “in ordine” e aspettano di essere attivate da uno stimolo. è come se la via di trasduzione fosse preconfezionata aumentando così le probabilità che il messaggio arrivi fino dove deve arrivare), sia a livello di regolazione (il grado di regolazione delle vie di trasduzione del segnale e delle vie metaboliche è da far tremare le vene e i polsi, e ho scomodato Dante stesso per rendere l’idea!)
marzo 4th, 2010 at 00:54
Ho ancora dubbi sull’ultima quesione: se l’ordine arriva fino a livello molecolare, significa che, quando si prova a riprodurre una reazione in provetta (in cui si possono controllare solo le concentrazioni) dovremmo ottenere dei risultati molto scarsi? Cioè, in provetta dovrebbe rimanerci una gran quantità di reagenti non combinati e solo una minima parte di essi si troverebbe, fortuitamente, ad interagire come nella cellula. E’ davvero così?
marzo 4th, 2010 at 14:56
difatti diverse reazioni non si rescono a riprodurre in vitro.. nel senso.. con una semplice provetta e aggiungendo i reagenti con gli enzimi.. soprattutto quelle in cui sono presenti diversi passaggi.. infatti si utilizzano preferibilmente linee cellulari!