Histone H3K9 methylation and Heterochromatin Protein 1 do not limit DNA accessibility in living S. pombe cells

All'interno di ogni cellula vivente, il codice genetico non fluttua liberamente, ma è strettamente avvolto attorno a mandrini proteici, formando un materiale complesso chiamato cromatina. Questo confezionamento serve a un duplice scopo: proteggere i lunghi filamenti di DNA e controllare quali parti del manuale di istruzioni genetiche possano essere lette in un dato momento. Per decenni, gli scienziati hanno operato sotto l'assunto che questo avvolgimento agisca come un guardiano, specificamente nelle regioni note come eterocromatina. Queste sono le sezioni del genoma densamente impacchettate, spesso contrassegnate da etichette chimiche sui mandrini proteici e legate da proteine specifiche, che si pensava servissero a sigillare il DNA così strettamente da impedire alla macchina cellulare di raggiungerlo. Questa idea di una regione bloccata è stata centrale per comprendere come le cellule regolano i loro geni, suggerendo che il compito primario di questi segni chimici e delle proteine di legame sia quello di bloccare fisicamente l'accesso al DNA.

I ricercatori hanno studiato a lungo questo fenomeno in vari organismi, inclusi esseri umani e lieviti di birra, dove le prove provenienti da nuclei cellulari isolati sostenevano la visione che l'eterocromatina sia effettivamente una barriera all'ingresso. In questo lievito, l'eterocromatina è definita da specifiche modificazioni chimiche sulle sue proteine istoniche e dalla presenza di una proteina di legame nota come HP1. La teoria prevalente sosteneva che queste caratteristiche lavorassero insieme per sigillare il DNA, impedendone l'accesso. Per testare se questo modello fosse valido in una cellula viva e pulsante piuttosto che in un campione statico, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per sondare l'accessibilità del DNA direttamente all'interno dell'organismo. Hanno introdotto un sistema in grado di attivare un enzima specifico per modificare il DNA, permettendo loro di misurare quanto facilmente questo enzima potesse raggiungere diverse parti del genoma in tempo reale.

I risultati di questo esperimento hanno sfidato la convinzione radicata che i segni chimici e le proteine di legame agiscano come un muro fisico. Quando gli scienziati hanno misurato il DNA nelle cellule vive di lievito fissione, hanno scoperto che l'eterocromatina densamente impacchettata era aperta e accessibile tanto quanto le regioni del genoma più lassi. Persino i centromeri, le aree specializzate in cui i cromosomi si attaccano allo scheletro interno della cellula, erano completamente accessibili in questo organismo. Ciò contrasta con i risultati in altre specie, dove i centromeri sono spesso inaccessibili. Lo studio suggerisce che, nel lievito fissione vivente, i segni chimici e le proteine di legame non funzionano bloccando la porta al DNA. Invece, il genoma appare globalmente dinamico, con il macchinario in grado di raggiungere quasi ogni parte del DNA indipendentemente dallo stile di impacchettamento locale.

La storia cambia, tuttavia, quando i ricercatori hanno esaminato le stesse cellule dopo che erano state rotte per isolare i nuclei. In questi campioni isolati, la cromatina è diventata ampiamente inaccessibile, comportandosi esattamente come previsto dal modello tradizionale. I ricercatori hanno determinato che questo cambiamento non era causato dalla perdita dei segni chimici o delle proteine di legame, bensì dalla struttura fisica del DNA stesso. Nei nuclei isolati, i mandrini proteici erano impacchettati così strettamente tra loro che non c'era quasi alcuno spazio tra di essi per l'ingresso degli enzimi. Questa spaziatura stretta, che si verifica quando la cellula non è più integra, crea una barriera fisica che non esiste nella cellula vivente. Di conseguenza, lo studio indica che il sistema chimico di segni e proteine di legame in questo lievito non reprime l'attività genica impedendo l'accesso al DNA. L'idea che queste proteine agiscano come una serratura per mantenere il DNA nascosto sembra essere un'interpretazione errata di ciò che accade quando le cellule vengono rimosse dal loro stato naturale e vivente.