Il ruolo segreto svolto dagli istoni nell’evoluzione cellulare complessa

Ecco perchè Tobias Warnecke, che studia gli istoni archeologici all’Imperial College di Londra, pensa che “c’è qualcosa di speciale che deve essere accaduto all’alba degli eucarioti, dove passiamo dall’avere semplici istoni… all’avere nucleosomi ottamericani. E sembra che stiano facendo qualcosa di qualitativamente diverso “.

Che cosa sia, tuttavia, è ancora un mistero. Nelle specie archeologiche, ce ne sono “un bel po ‘che hanno istoni e ci sono altre specie che non hanno istoni. E anche quelli che hanno gli istoni variano molto “, ha detto Warnecke. Lo scorso dicembre ha pubblicato un documento che mostra che ci sono diverse varianti delle proteine ​​istoniche con diverse funzioni. I complessi istone-DNA variano nella loro stabilità e affinità per il DNA. Ma non sono così stabilmente o regolarmente organizzati come i nucleosomi eucariotici.

Per quanto sconcertante sia la diversità degli istoni archeologici, offre l’opportunità di comprendere i diversi modi possibili di costruire sistemi di espressione genica. Questo è qualcosa che non possiamo trarre dalla relativa “noiosità” degli eucarioti, dice Warnecke: attraverso la comprensione della combinatoria dei sistemi archeologici, “possiamo anche capire cosa c’è di speciale nei sistemi eucariotici”. La varietà di diversi tipi e configurazioni di istoni negli archei può anche aiutarci a dedurre cosa avrebbero potuto fare prima che il loro ruolo nella regolazione genica si solidificasse.

Un ruolo protettivo per gli istoni

Poiché gli archei sono procarioti relativamente semplici con genomi piccoli, “non credo che il ruolo originale degli istoni fosse quello di controllare l’espressione genica, o almeno non nel modo a cui siamo abituati dagli eucarioti”, ha detto Warnecke. Invece, ipotizza che gli istoni potrebbero aver protetto il genoma dai danni.

Gli archaea vivono spesso in ambienti estremi, come sorgenti termali e sfiati vulcanici sul fondo del mare, caratterizzati da alte temperature, alte pressioni, alta salinità, alta acidità o altre minacce. Stabilizzare il loro DNA con gli istoni può rendere più difficile lo scioglimento dei filamenti di DNA in quelle condizioni estreme. Gli istoni potrebbero anche proteggere gli archei dagli invasori, come i fagi o gli elementi trasponibili, che troverebbero più difficile integrarsi nel genoma quando è avvolto attorno alle proteine.

Kurdistani è d’accordo. “Se stavi studiando archaea 2 miliardi di anni fa, la compattazione del genoma e la regolazione genica non sono le prime cose che ti verrebbero in mente quando pensi agli istoni”, ha detto. In effetti, ha ipotizzato provvisoriamente su un diverso tipo di protezione chimica che gli istoni avrebbero potuto offrire all’archaea.

Lo scorso luglio, Il team di Kurdistani ha riferito che nei nucleosomi di lievito c’è un sito catalitico all’interfaccia di due proteine ​​H3 dell’istone che può legarsi e ridurre elettrochimicamente il rame. Per svelare il significato evolutivo di questo, Kurdistani risale al massiccio aumento di ossigeno sulla Terra, il Grande Evento di ossidazione, che si è verificato nel periodo in cui gli eucarioti si sono evoluti per la prima volta più di 2 miliardi di anni fa. Livelli di ossigeno più elevati devono aver causato un’ossidazione globale di metalli come rame e ferro, che sono fondamentali per la biochimica (sebbene tossici in eccesso). Una volta ossidati, i metalli sarebbero diventati meno disponibili per le cellule, quindi qualsiasi cella che manteneva i metalli in forma ridotta avrebbe avuto un vantaggio.

Durante il Grande Evento di ossidazione, la capacità di ridurre il rame sarebbe stata “una merce estremamente preziosa”, ha detto Kurdistani. Potrebbe essere stato particolarmente attraente per i batteri che erano i precursori dei mitocondri, poiché il citocromo c ossidasi, l’ultimo enzima nella catena di reazioni che i mitocondri usano per produrre energia, richiede il rame per funzionare.

Poiché gli archei vivono in ambienti estremi, potrebbero aver trovato il modo di generare e gestire il rame ridotto senza essere uccisi da esso molto prima del Grande Evento di ossidazione. Se è così, i proto-mitocondri potrebbero aver invaso gli ospiti archeologici per rubare il loro rame ridotto, suggerisce Kurdistani.

Siavash Kurdistani, un biochimico presso l’Università della California, Los Angeles, ha ipotizzato su come le capacità catalitiche di alcuni istoni potrebbero aver supportato l’endosimbiosi che ha prodotto eucarioti.Fotografia: Reed Hutchinson / UCLA Broad Stem Cell Research Center

L’ipotesi è intrigante perché potrebbe spiegare perché gli eucarioti sono comparsi quando i livelli di ossigeno sono aumentati nell’atmosfera. “C’erano 1,5 miliardi di anni di vita prima di allora, e nessun segno di eucarioti”, ha detto Kurdistani. “Quindi l’idea che l’ossigeno abbia guidato la formazione della prima cellula eucariotica, per me, dovrebbe essere centrale per qualsiasi ipotesi che cerchi di trovare il motivo per cui queste caratteristiche si sono sviluppate.”

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