Spis treści
- Chromatyna zawiera DNA i białka
- Histony składają się z podstawowych białek
- Nukleosomy są strukturalnymi jednostkami chromatyny
- Nukleosomy do struktur wyższego rzędu
- Utrzymanie skondensowanych struktur chromosomowych przez białka SMC
- Poziom organizacji bakteryjnego DNA
- wnioski
- Wywiad Pytania i odpowiedzi
Chromatyna zawiera DNA i białka
Podział komórkowy lub cykl komórkowy w komórkach eukariotycznych indukuje znaczące zmiany w strukturze chromosomów. W komórkach eukariotycznych obecnych w G0 faza (faza niedzieląca się) i te w początkowych fazach cyklu komórkowego, takie jak faza G1, S i G2 (etapy interfazy), chromatyna (materiał chromosomowy) jest amorficzna i losowo rozproszona w określonych częściach jądra .
W fazie S replikacja DNA (duplikacja), która jest już obecna w stanie amorficznym. W ten sposób każdy chromosom wytwarza dwie chromatydy siostrzane (zwane chromosomami siostrzanymi), które pozostają połączone ze sobą nawet po zakończeniu replikacji.
Chromatyna staje się znacznie bardziej skondensowana podczas profazy mitozy, pojawiając się w określonej liczbie siostrzanych chromatyd specyficznych dla gatunku.
Chromatyna zawiera nitkowate struktury zawierające białko, a DNA jest z grubsza równoważne masom. W chromatynie zwykle występuje niewielka ilość RNA. W chromatynie białka są ściśle związane z DNA. Białka te są znane jako histony. DNA przylega do białek histonowych, tworząc bloki budulcowe struktury chromatyny znanej jako nukleosom.
Podobnie liczne białka niehistonowe znajdują się również w chromatynie. Białka histonowe są ogólnie zaangażowane w regulację ekspresji genów wraz z integralnym utrzymaniem struktury chromosomowej.
Zaczynając od nukleosomów, eukariotyczne DNA chromosomalne jest pakowane w progresję struktur wyższego poziomu, które ostatecznie dają zwartą konstrukcję znaną jako chromosom, którą można zobaczyć za pomocą mikroskopu o niskim powiększeniu (mikroskop świetlny). Możemy łatwo porównać tę łatwo widoczną zwartą strukturę z DNA bakterii.
Histony składają się z podstawowych białek
- Histony występują w chromatynie prawie każdej komórki eukariotycznej.
- Histony mają masę cząsteczkową od 11,000 21,000 do XNUMX XNUMX kilodaltonów.
- Histony są bogate w aminokwasy, takie jak lizyna i arginina (około 25%), które mają charakter zasadowy.
- Białka histonowe obecne w komórkach eukariotycznych są podzielone na pięć różnych klas w oparciu o ich skład aminokwasowy i masę cząsteczkową. Są to mianowicie: H1, H2A, H2B, H3 i H4.
Białka histonowe, takie jak H1, H2A i H2B, wykazują najmniejsze podobieństwo sekwencji wśród eukariontów.
Białka histonowe H4 mają konserwatywne funkcje i tylko 2 ze 102 reszt aminokwasowych różnią się wśród reszt aminokwasowych białek histonowych H4 grochu i krów. Tylko osiem reszt aminokwasowych różni się resztami aminokwasowymi drożdży i ludzi. Sekwencja aminokwasów jest prawie identyczna u wszystkich eukariontów.
Każdy rodzaj histonu ma różne struktury i sekwencję aminokwasową; dzieje się tak, ponieważ łańcuchy boczne aminokwasów są manipulowane enzymatycznie przez glikozylację, fosforylację, rybozylację ADP i acetylację lub metylację. Te modyfikacje chemiczne mogą wpływać na kształt, ładunek elektryczny netto i różne inne właściwości histonów. Wpływają również na właściwości funkcjonalne i strukturalne chromatyny oraz regulują transkrypcję.
Nukleosomy są strukturalnymi jednostkami chromatyny
Chromosom eukariotyczny jest bardzo zwartą formą cząsteczki DNA o długości około 105 mikrometrów, który zmieści się w jądrze o wielkości około 10 mikrometrów. To zagęszczanie obejmuje różne poziomy ciągłego składania i superzwijania.
Traktowanie chromosomów w celu częściowego rozwinięcia ujawnia, że regularnie obecne są niektóre ściśle związane kuleczki białek podobnych do struktur.
Te struktury „koraliki na sznurku” są w rzeczywistości kompleksami białek histonowych i DNA. Koralik (DNA i histony) i łączący DNA między dwoma koralikami tworzą nukleosom. Nukleosom jest jednostką strukturalną chromatyny wyższego rzędu (chromosomów) obecnej w komórce.
Każda kulka nukleosomu składa się z ośmiu cząsteczek histonów: dwóch duplikatów każdego z H4, H3, H2A i H2B. Pojedynczy nukleosom zawiera 200 pz DNA, z czego 146 pz DNA jest ciasno owinięte wokół rdzenia histonowego.
W przeciwieństwie do tego, pozostały DNA działa jako łącznik DNA między dwoma kuleczkami nukleosomów i wiąże się z podjednostką H1 białka histonowego.
Kiedy chromatyna jest traktowana enzymami trawiącymi DNA, powoduje selektywne trawienie DNA łącznikowego, co skutkuje oderwaniem cząstek histonów zawierających 146 pz związanego DNA, które zostało zabezpieczone przed enzymami trawiącymi DNA.
Naukowcy z powodzeniem oczyścili nukleosom, a po badaniach dyfrakcji rentgenowskiej zaobserwowano, że nukleosom składający się z ośmiu cząsteczek histonów z owiniętym wokół niego DNA, który jest obecny w postaci lewoskrętnej cewki solenoidu.
Późniejsze badania uzasadniły niedowinięcie DNA eukariotycznego pomimo obecności białek, które osłabiają DNA. To pokazuje, że nukleosomy z solenoidowym owinięciem DNA są w rzeczywistości jednym z rodzajów superskręcenia, które może posiadać podowinięty (ujemnie superskręcony) DNA. Aby ciasno owijać DNA na białkach histonowych, należy wyeliminować około jednego obrotu w DNA.
Kiedy białka rdzenia nukleosomu wiążą się z kołowym DNA w stanie rozluźnionym, indukuje to ujemne superzwijanie się w zamkniętym kołowym DNA. Ponieważ ten proces wiązania nie rozrywa DNA ani nie zmienia liczby połączeń, rozwój ujemnego superzwijania solenoidu powinien mieć pewne dodatnie superzwijanie w celu kompensacji w niezwiązanym obszarze DNA.
Topoizomerazy eukariotyczne mogą radzić sobie z dodatnim superskręceniem poprzez rozluźnienie dodatniego superskrętu (niezwiązanego) i pozostawienie ujemnego superskrętu unieruchomionego (przez miejsce, z którego jest on połączony z białkami rdzenia histonu), co skutkuje spadkiem netto liczby połączeń . Z pewnością topoizomerazy okazały się niezbędne do kojarzenia chromatyny otrzymanej z histonów i kolistego DNA in vitro.
Sekwencja wiązania DNA z białkami histonowymi wpływa również na siłę wiązania i inne parametry wiązania DNA z histonami. Białka histonowe nie wiążą się losowo z DNA. Chociaż mechanizm nie jest do tej pory jasno poznany, białka histonowe wolą wiązać się z DNA z sekwencji bogatej w AT (sekwencja zawierająca wiele par zasad AT).
Ścisłe wiązanie DNA w centrum histonowym nukleosomu wymaga niewielkiej kompresji rowków w DNA w punktach wiązania. Powinny również istnieć jakieś (2 lub 3) pary zasad AT, aby proces kompresji był bardziej wykonalny.
Kilka innych białek jest również potrzebnych do dokładnego pozycjonowania DNA na nukleosomalnym rdzeniu histonowym. W kilku organizmach kilka białek oddziałuje z określoną sekwencją DNA i pomaga w tworzeniu kompleksu z nukleosomalnym rdzeniem histonowym. Proces ten moduluje również ekspresję genów u eukariontów.
Nukleosomy do struktur wyższego rzędu
Nawijanie DNA wokół histonowego rdzenia nukleosomu skraca długość DNA około siedmiokrotnie. Zagęszczenie w chromosomie wynosi aż 10,000 30 razy, poparte odpowiednim dowodem na obecność organizacji chromosomowej wyższego rzędu. Niektóre izolowane chromosomy pokazują, że nukleosomy istnieją w wysoce zorganizowanych strukturach znanych jako włókna XNUMX nm.
Takie opakowanie wymaga jednej cząsteczki histonu H1 na nukleosom. Organizacja nukleosomu we włókna 30 nm nie jest obecna w całym zestawie chromosomów, jest przeplatana obszarami, w których DNA jest związany z białkami niehistonowymi specyficznymi dla sekwencji. Struktura 30 nm dodatkowo pojawia się w regionie, w którym zachodzi aktywność transkrypcyjna.
Obszary, w których geny podlegają ekspresji lub transkrypcji, są oczywiście w mniej uporządkowanym stanie i zawierają bardzo mało lub niską podjednostkę histonu H1. Włókno 30 nm jest uważane za drugi stopień asocjacji chromatyny, co daje 100-krotną zwartość DNA.
Chociaż dokładny mechanizm superzwijania na wyższym poziomie nadal nie jest jasno poznany, wygląda na to, że niektóre regiony DNA wchodzą w interakcję z rusztowaniem jądrowym.
Region rusztowania (gdzie DNA łączy się z histonem nukleosomu) rzadko jest oddzielony pętlą DNA o długości od 20 do 100 kbp. Ta pętla DNA może również zawierać pewne pokrewne geny. Na przykład u Drosophila geny kodujące histony grupują się w pętle i wiążą się z rusztowaniem.
Rusztowanie wydaje się zawierać kilka innych białek, dużo histonu H1 (znajdującego się w wewnętrznej strukturze włókna) i topoizomerazę II. Obecność topoizomerazy II dodatkowo wskazuje na związek między strukturą chromatyny a underwindingiem DNA.
Topoizomeraza II jest tak ważna dla utrzymania struktury chromatyny, że inhibitory enzymu topoizomerazy II są zdolne do zabijania dzielących się komórek. Inhibitory te sprzyjają pękaniu nici, ale nie pozwalają topoizomerazie II na uszczelnienie tych pęknięć.
Istnieją dowody na istnienie dodatkowych warstw asocjacji w chromosomach eukariotycznych, przy czym każda warstwa znacznie podnosi poziom zagęszczenia.
Struktura chromatyny wyższego poziomu prawdopodobnie zmienia się z chromosomu na chromosom, w obrębie chromosomu i od stanu warunkującego istnienie komórki. Jednak żaden model nie jest w stanie wyjaśnić tych struktur. Chociaż zasada jest jasna: w chromosomach eukariotycznych zagęszczenie DNA ma zwoje na zwojach typu kondensacji.
Słowo „chromosom” odnosi się do kwasu nukleinowego, który jest rezerwuarem informacji genetycznej organizmu. Podobnie, termin ten jest również używany dla gęsto upakowanych kolorowych struktur widocznych w jądrze zabarwionej komórki barwnikowej widocznej pod mikroskopem.
Utrzymanie skondensowanych struktur chromosomowych przez białka SMC
Trzecia klasa białek chromatyny, obok histonów i topoizomeraz, to białka SMC (strukturalne utrzymanie chromosomów). Konstrukcja struktury białek SMC zawiera pięć konkretnych domen.
N-koniec karboksylowy domeny globularnej odgrywa rolę w hydrolizie ATP i jest związany z α-helikalnymi zwiniętymi motywami związanymi z domeną zawiasową. Są to białka dimeryczne, które tworzą kompleks w kształcie litery V, który jest również połączony z domeną zawiasową.
Domeny C i N zbliżają się do sfinalizowania tworzenia miejsca hydrolitycznego ATP na obu końcach kompleksu V. Białka wymienione w rodzinie SMC znajdują się na ogół w wielu żywych organizmach, od drobnoustrojów po ssaki. Eukarionty mają zasadniczo dwa rodzaje białek SMC, a mianowicie kondensyny i kohezyny.
Zakłada się, że kohezyny odgrywają ważną rolę w łączeniu się chromatyd siostrzanych po replikacji, aż do momentu ich kondensacji do postaci chromosomu w metafazie. Ta interakcja jest ważna, ponieważ chromosomy muszą się prawidłowo odłączyć podczas podziału komórki.
Chociaż dobrze wyjaśnione mechanizmy, za pomocą których kohezyny łączą chromosomy siostrzane, i znaczenie hydrolizy ATP nie są jasno poznane. Gdy komórka przygotowuje się do wejścia w mitozę, kondensyna odgrywa znaczącą rolę w kondensacji chromosomów.
W warunkach in vitro kondensyny wchodzą w interakcję z DNA i tworzą dodatnie superzwoje; ograniczanie kondensyny powoduje, że DNA staje się zwijany, zamiast zwijania inicjowanego przez wiązanie nukleosomu. Dokładne mechanizmy, przez które kondensyna sprzyja zagęszczaniu chromatyny, nie są jeszcze jasno poznane.
Poziom organizacji bakteryjnego DNA
Za chwilę omówimy szczegółowa struktura chromosomów bakteryjnych. Bakteryjne DNA występuje w postaci zwartej struktury zwanej nukleoidem. Zajmuje ogromną część objętości komórki (rysunek). DNA łączy się z wewnętrzną błoną błony plazmatycznej w kilku miejscach.
W porównaniu z chromatyną eukariotyczną wiadomo mniej szczegółów na temat nukleoidu. U E. coli struktura przypominająca rusztowanie wydaje się układać zamknięty okrągły chromosom w układ pętli, jak pokazano powyżej dla chromatyny. Jednak bakteryjne DNA nie wydaje się mieć żadnej struktury podobnej do nukleosomów eukariotycznych.
Chociaż E. coli posiada kilka białek podobnych do histonów eukariotycznych (zazwyczaj są one dimeryczne (Mw 19,000 XNUMX KDa), są mało stabilne i ulegają degradacji w ciągu kilku minut. Nie występują więc w postaci kompleksu histonów DNA. chromosom bakteryjny zapewnia bardziej dostępną informację genetyczną, dlatego uważany jest za bardzo dynamiczną bio-makrocząsteczkę.
Bakteria dzieli się poprzez rozszczepienie binarne (rodzaj podziału komórki) i zajmuje to około 15 minut. Natomiast zwykła komórka eukariotyczna nie wchodzi w cykl podziału przez godziny, a nawet miesiące. Podobnie znaczna część prokariotycznego DNA jest wykorzystywana do kodowania RNA i białka.
Zwiększone tempo metabolizmu komórkowego u drobnoustrojów oznacza, że duża część DNA ulega transkrypcji lub replikacji w określonym czasie w porównaniu z komórkami eukariotycznymi.
wnioski
W tym artykule omówiliśmy kluczowe aspekty pakowania DNA i struktur wyższego rzędu. Aby lepiej zrozumieć ten temat, zapoznaj się z naszym artykułem na Superskręcenie DNA.
Wywiad Pytania i odpowiedzi
Q1. Jakie są funkcje i struktura chromosomu?
Odpowiedź: Chromosomy mają kształt nitki i są umieszczone wewnątrz jądra komórki eukariotycznej. Prokariota nie mają wielu chromosomów. Zamiast tego na ogół mają pojedynczy okrągły chromosom zwany nukleoidem. Chromosomy to DNA (zwykle pojedyncza cząsteczka DNA) i białka (histony i niektóre białka niehistonowe). Wyłączną funkcją chromosomów jest to, że przenoszą geny odpowiedzialne za dziedziczenie cech genetycznych i przekazywanie informacji genetycznej potomstwu.
Q2. Jak zmiany w strukturze chromosomów mogą wpłynąć na jednostkę?
Odpowiedź: Istnieje wiele czynników odpowiedzialnych za zmiany strukturalne w chromosomach. Zmiany te mogą powodować różnice w ekspresji genów u osobnika, co ostatecznie powoduje zmiany w ekspresji białek i funkcjonowaniu organizmu.
Q3. W jaki sposób bardzo długa struktura DNA jest dopasowana do małych jąder?
Odpowiedź: DNA obecne w chromosomach ma długość centymetrów. Wpasowuje się w jądro mające promienie rzędu mikrometrów za pomocą kwasów nukleinowych wiążących białka histonowe. DNA chromosomów jest naładowane ujemnie, co wiąże się z dodatnio naładowanymi białkami histonowymi, tworząc nukleosomy. Pojedynczy nukleosom owija się wokół 146 par zasad DNA, wykonując 1.65 obrotu na rdzeniu histonowym.
Q4. Jakie są dwa rodzaje chromosomów?
Odpowiedź: Na podstawie płci osobnika chromosomy dzielą się na dwie kategorie
- 1- Autosomy (odpowiedzialne za funkcjonowanie organizmu. Jest ich 44, 22 pary)
- 2- allosomy (chromosomy płci, odpowiedzialne za funkcjonowanie drugorzędowych cech płciowych jest ich 2, jedna para)
Ludzie mają autosomy (22 pary) i allosomy (jedna para) lub chromosomy płci.
P5. Nazwij składniki chromosomów eukariotycznych.
Odpowiedź: Chromosomy u eukariontów składają się głównie ze składników białkowych (histonów i niehistonów), składników kwasu nukleinowego (DNA i niewielka ilość RNA) oraz niektórych jonów metali itp.
P6. Co by się stało, gdyby dana osoba miała dodatkowy chromosom?
Odpowiedź: Dodatkowe chromosomy w komórkach osoby prowadzą do nieprawidłowości chromosomalnych.
Obecność dodatkowej kopii 21. chromosomu (trisomia) prowadzi do zespołu Downa. Zespół Klinefeltera jest spowodowany przez dodatkowy chromosom X u osobnika, co powoduje, że jego genotyp 44+XXY.
P7. Jakie są rodzaje chromosomów w zależności od pozycji centromeru?
Odpowiedź: są cztery rodzaje chromosomów na podstawie pozycji centromeru
- Metacentryczna
- Submetacentryczny
- Akrocentryczny
- Telocentryczny
P8. Wymień dwa sposoby klasyfikacji chromosomów.
Odpowiedź: Chromosomy są klasyfikowane na podstawie kilku kryteriów:
- Na podstawie pozycja centromeru:
- Metacentryczny: Centromer jest obecny w środku chromosomu
- Submetacentryczny: Centromer jest obecny w pobliżu środka chromosomu
- Akrocentryczny: Centromer jest obecny w pobliżu jednego końca chromosomu
- Telocentryczny: Centromer jest obecny w końcowej pozycji chromosomu
- Na podstawie chromosomy płci:
- Autosomy: Odpowiedzialny za normalne funkcje organizmu
- Allosomy: odpowiedzialny za drugorzędne cechy płciowe
P9. Czym są histony? Jakie są ich ważne funkcje?
Odpowiedź: Histony są podstawowymi i dodatnio naładowanymi białkami wiążącymi DNA (ponieważ DNA jest naładowany ujemnie), które pomagają w superzwijaniu się DNA. Histony tworzą rdzeń, który promuje owijanie się DNA. Zatem wiązanie histonów odpowiada za regulację ekspresji genów.
P10. Ile typów histonów jest obecnych w komórkach eukariotycznych?
Odpowiedź: W komórkach eukariotycznych znajduje się pięć typów białek histonowych. Spośród pięciu czterech bierze udział w tworzeniu rdzenia histonowego nukleosomu (H2A, H2B, H3 i H4), natomiast H1 wiąże się z DNA na powierzchni nukleosomu.
Przeczytaj także:
- Replikacja DNA a polimeraza
- Czy DNA prokariotyczny jest podwójną helisą
- Enzym transkrypcyjny DNA
- Czy prokarioty mają replikację DNA?
- Antyrównoległe nici dna 2
- Schemat transkrypcji DNA
- Uracyl w replikacji DNA
- Sekwencja zasad azotowych w DNA
Nazywam się Abdullah Arsalan i ukończyłem doktorat z biotechnologii. Mam 7 lat doświadczenia badawczego. Opublikowałem dotychczas 6 artykułów w czasopismach o międzynarodowej renomie ze średnim współczynnikiem wpływu 4.5, a kilka kolejnych jest branych pod uwagę. Prezentowałem artykuły naukowe na różnych konferencjach krajowych i międzynarodowych. Moim obszarem zainteresowań jest biotechnologia i biochemia ze szczególnym uwzględnieniem chemii białek, enzymologii, immunologii, technik biofizycznych i biologii molekularnej.