I cromosomi sono forme specifiche di DNA presenti in una cellula durante la mitosi o la meiosi. All’interno del nucleo, il DNA è strettamente avvolto intorno a una proteina chiamata istone e impacchettato in una struttura lineare. Quando le cellule non si dividono, i cromosomi non sono visibili nel nucleo – come avviene al microscopio. Tuttavia, il DNA che compone il cromosoma diventa più compatto durante la divisione cellulare ed è visibile al microscopio. Ogni cromosoma ha un punto di contrazione chiamato centromero (punto) che divide il cromosoma in due parti, il “braccio”. Il braccio corto è il “braccio p”; il braccio lungo è il “braccio q”. La posizione del centromero su ogni cromosoma fornisce una forma unica per il cromosoma che può essere usata per aiutare a descrivere la posizione di un particolare gene. I cromosomi sono specie-specifici e variano in numero, dimensione e morfologia a seconda della specie, del tipo di cellula e dello stadio di sviluppo.

Figura 1. Schema di un cromosoma eucariotico replicato e condensato in metafase. (1) Cromatide – una delle due parti identiche del cromosoma dopo la fase S. (2) Centromero – il punto in cui i due cromatidi si toccano. (3) Braccio corto (p). (4) Braccio lungo (q).

Struttura del cromosoma

Nel 1975 gli scienziati hanno presentato le prove che la struttura della cromatina è composta da un’unità ripetuta che hanno descritto come “perline su un filo”. Queste perline sono ora conosciute come nucleosomi, che sono piccoli dischi proteici che il DNA (il “filo”) avvolge. Questi nucleosomi sono separati da 10-60 bp di DNA linker e si avvolgono per formare una matrice lungo il DNA che ha un diametro di circa 11 nm. Questa matrice è poi superavvolta in una fibra di 30 nm, che si avvolge su se stessa nell’unità microscopica nota come cromosoma. Il nucleosoma è composto da 146 bp di DNA avvolto 1,7 volte intorno a un ottamero istonico, composto da un tetramero istone H3/H4 affiancato da due dimeri H2A/H2B. I nucleosomi servono a impacchettare il DNA pur consentendo l’accesso alla trascrizione genica e alla replicazione e riparazione del DNA. Oltre alle elettromicrografie che mostrano le perline su una stringa, i nucleosomi sono stati identificati anche dalla digestione della cromatina con le nucleasi con il risultato di circa 200 bp ladder, nonché dall’isolamento centrifugo dei complessi di nucleoproteine 11.5S. Si è pensato a lungo che il comportamento della cromatina sia un risultato diretto delle proprietà di questi nucleosomi. È ormai noto che la cromatina è composta da DNA e istoni, così come da una pletora di altri complessi proteici che assistono nelle funzioni cellulari legate al DNA. Gli istoni giocano sia ruoli strutturali che funzionali in questi processi, che includono la replicazione, la riparazione, la ricombinazione, la trascrizione e la segregazione.

Figura 2. Diagramma della struttura dei cromosomi.

Cromosomi negli eucarioti

I cromosomi negli eucarioti sono composti da fibre di cromatina. Le fibre di cromatina sono costituite da nucleosomi (ottameri di istoni, una porzione del filamento di DNA uniti e avvolti). Le fibre di cromatina sono impacchettate da proteine in una struttura concentrata chiamata cromatina. La cromatina è presente nei mitocondri, la maggior parte dei quali è DNA, e la madre ne eredita una piccola quantità. La cromatina è presente nella maggior parte delle cellule, con alcune eccezioni, come i globuli rossi. La cromatina può formare molecole di DNA molto lunghe e adatte al nucleo. Durante la divisione cellulare, la cromatina si condensa ulteriormente per formare cromosomi visibili al microscopio. La struttura del cromosoma cambia con il ciclo cellulare. Durante la divisione cellulare, i cromosomi vengono replicati, divisi e consegnati con successo alle cellule progenitrici, garantendo la diversità genetica e la sopravvivenza della prole. I cromosomi possono essere ripetuti o non ripetuti. Un cromosoma ripetuto è un singolo duplex, e un cromosoma ripetuto contiene due copie identiche (chiamate cromatidi o cromatidi fratelli) ed è unito dai centromeri.

Figura 3. Organizzazione del DNA in una cellula eucariotica.

Cromosomi nei procarioti

I procarioti di solito hanno una copia per cromosoma principale, ma la maggior parte delle cellule può facilmente sopravvivere in copie multiple. Per esempio, il simbionte della locusta Buchnera ha copie multiple del suo cromosoma, ogni cellula ha un intervallo di replicazione di 10-400 copie. Tuttavia, in alcuni grandi batteri, come Epulopiscium fishelsoni, ci possono essere fino a 100.000 copie del cromosoma. Come negli eucarioti, il numero di copie dei plasmidi e dei minicromosomi simili ai plasmidi è molto variabile. Il numero di plasmidi in una cellula dipende quasi interamente dal tasso di frammentazione del plasmide – una rapida divisione porta ad un alto numero di copie.

Cromosoma umano

I cromosomi umani possono essere divisi in due tipi: autosomi (cromosomi somatici) e cromosomi sessuali (cromosomi eterologhi). Alcuni tratti genetici sono legati al sesso di una persona e vengono trasmessi attraverso il cromosoma sessuale. L’autosoma contiene quindi il resto delle informazioni genetiche. I cromosomi autosomici e sessuali sono identici nella replicazione, nella mitosi e nella meiosi. Le cellule umane hanno 23 coppie di cromosomi (22 coppie di autosomi e una coppia di cromosomi sessuali), cioè ci sono 46 cromatidi per cellula. Inoltre, le cellule umane hanno centinaia di copie di cromosomi mitocondriali. Il sequenziamento del genoma umano fornisce una grande quantità di informazioni su ogni cromosoma.