HROMATĪNS: VEIDI, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, FUNKCIJAS - BIOLOĢIJA - 2025

Hromatīna ir izveidotā kompleksa ar DNS un proteīnu tikai eikariotu organismos. Proporcijas ziņā tas satur gandrīz divreiz vairāk olbaltumvielu, nekā tas satur ģenētisko materiālu. Vissvarīgākie proteīni šajā kompleksā ir histoni - mazi, pozitīvi lādēti proteīni, kas ar elektrostatisko mijiedarbību saistās ar DNS. Turklāt hromatīnam ir vairāk nekā tūkstotis olbaltumvielu, izņemot histonus.

Hromatīna pamatvienība ir nukleosoma, kas sastāv no histonu un DNS savienības. Šis izkārtojums atgādina krelles uz kaklarotas. Pēc visu augstāko DNS organizācijas līmeņu iziešanas mēs nonāksim hromosomās.

Avots: Chromatin_nucleofilaments.png: Krisa Vudkoka atvasinātais darbs: Gouttegd

Hromatīna struktūra ir cieši saistīta ar gēnu ekspresijas kontroli. Ir divi galvenie veidi: euchromatin un heterochromatin.

Eihromatīnam raksturīga zema sablīvēšanās pakāpe, kas pārveidojas par augstu transkripcijas līmeni. Turpretī heterohromatīns ir transkripcijā neaktīvs, pateicoties tā augstajai sablīvēšanās pakāpei.

Strukturāli ir noteiktas histonu epiģenētiskās zīmes, kas raksturīgas abiem hromatīnu veidiem. Kamēr eihromatīns ir saistīts ar acetilēšanu, heterohromatīns ir saistīts ar ķīmisko grupu samazināšanos.

Ir daži heterohromatīna reģioni ar strukturālām funkcijām, piemēram, telomēri un centromēri.

Vēsturiskā perspektīva

Ģenētiskā materiāla un tā struktūras organizācijas izpēte sākās 1831. gadā, kad pētnieks Roberts Brauns aprakstīja kodolu. Viens no tūlītējiem šī atklājuma jautājumiem bija interesēties par šīs struktūras bioloģisko un ķīmisko raksturu.

Šie jautājumi tika sākti noskaidrot laikā no 1870. līdz 1900. gadam, izmantojot Frīdriha Mieshera eksperimentus, kurš ieviesa vārdu nukleīns. Tomēr Walther Flemming modificē terminu un izmanto hromatīnu, lai atsauktos uz kodolvielu.

Laika gaitā cilvēks sāk iegūt dziļākas zināšanas par ģenētisko materiālu un tā īpašībām. Tikai 1908. gadā itāļu pētnieks Pasquale Baccarini pamanīja, ka hromatīns nav viendabīgs, un viņam izdevās vizualizēt mazus ķermeņus kodola iekšpusē.

Hromatīnu veidus - euchromatin un heterochromatin - sākotnēji ierosināja Emil Heitz 1928. gadā. Lai izveidotu šo klasifikāciju, Heitz paļāvās uz traipu izmantošanu.

1974. gadā biologs Rodžers Kornbergs ierosināja ģenētiskā materiāla organizācijas modeli struktūrās, kas pazīstamas kā nukleosomas - hipotēzi empīriski apstiprināja Markusa Nolla eksperimenti.

Kas ir hromatīns?

Hromatīna komponenti: DNS un olbaltumvielas

Hromatīns ir nukleoproteīns, ko veido ģenētiskā materiāla - DNS - savienība ar heterogēnu olbaltumvielu komplektu. Šī asociācija ir ļoti dinamiska un iegūst sarežģītu trīsdimensiju uzbūvi, kas tai ļauj veikt normatīvās un strukturālās funkcijas.

Viens no vissvarīgākajiem hromatīna proteīniem ir histoni, kas atrodami gandrīz tādā pašā proporcijā kā DNS.

Histoni ir pamata olbaltumvielas, kuras ir ievērojami saglabājušās visā organisko būtņu evolūcijas vēsturē - tas ir, mūsu histoni daudz neatšķiras salīdzinājumā ar citiem zīdītājiem, pat citam dzīvniekam, kas filoģenētiski ir tālāks.

Histonu lādiņš ir pozitīvs, tāpēc, izmantojot elektrostatiskos spēkus, tie var mijiedarboties ar DNS esošā fosfāta mugurkaula negatīvo lādiņu. Pastāv pieci histonu veidi, proti: H1, H2A, H2B, H3 un H4.

Ir arī virkne olbaltumvielu, kas atšķiras no histoniem un kas piedalās DNS sablīvēšanā.

DNS sablīvēšana: nukleosomas

Hromatīna pamatvienība ir nukleosomas - atkārtotas struktūras, kas sastāv no DNS un histoniem, konformācija, kas sastopama visā ģenētiskajā materiālā.

DNS dubultā spirāle tiek ievainota astoņu histonu kompleksā, kas pazīstams kā histone oktamers. Molekulā spolē apmēram divos pagriezienos, kam seko īss reģions (no 20 līdz 60 bāzes pāriem), kas atdala nukleosomas viens no otra.

Lai saprastu šo organizāciju, mums jāņem vērā, ka DNS molekula ir ārkārtīgi gara (apmēram 2 metri), un tai jābūt sakārtotai noteiktā veidā, lai nostiprinātos kodolā (kura diametrs ir no 3 līdz 10 µm). Turklāt tam jābūt pieejamam replicēšanai un transkripcijai.

Šis mērķis tiek sasniegts ar dažādu līmeņu DNS sablīvēšanos, pirmā ir iepriekšminētās nukleosomas. Tās atgādina pērļu kaklarotas pērlītes. Aptuveni 150 bāzes pāri DNS tiek ievainoti mājās "skaita".

Baktērijās nav patiesu stāstu. Turpretī ir virkne olbaltumvielu, kas atgādina histonus, un tiek uzskatīts, ka tie veicina baktēriju DNS iesaiņošanu.

Galvenā organizācija

Hromatīna organizācija nukleosomu līmenī nav ierobežota. Šī olbaltumvielu un DNS asociācija tiek sagrupēta biezākā struktūrā - apmēram 30 nm - šī biezuma dēļ to sauc par "30 nm šķiedras" līmeni.

Hromatīns, kas organizēts 30 nm biezumā, tiek organizēts cilpu veidā, kas stiepjas sava veida olbaltumvielu (nevis histonu) sastatnēs.

Šis ir pašlaik izmantotais modelis, lai gan var gaidīt sarežģītākus sablīvēšanās mehānismus. Galīgā organizācija sastāv no hromosomas.

Kļūdas hromatīna organizācijā

Ģenētiskā materiāla sablīvēšana un organizēšana ir vitāli nepieciešama daudzām bioloģiskām funkcijām. Ar kļūdām hromatīna struktūrā ir saistīti dažādi medicīniski apstākļi, starp kuriem cita starpā ir X-saistīta alfa talasēmija, Rubinšteina-Teibi sindroms, Coffin-Lowry sindroms, Rett sindroms.

Hromatīna veidi

Šūnā ir divu veidu hromatīni, ko atklāj, uzklājot traipus: euchromatin ("īstais" hromatīns) un heterochromatin. Pirmajā gadījumā iekrāsošana ir vāji novērota, bet otrajā - intensīva.

Šī DNS strukturālā organizācija ir raksturīga tikai eikariotu organismiem, un tai ir izšķiroša nozīme hromosomu uzvedībā un gēnu ekspresijas regulēšanā.

Ja mēs novērtējam abu veidu hromatīnu proporcijas šūnā, kas atrodas starpfāzēs, mēs atklājam, ka aptuveni 90% hromatīna ir eihromatīns, bet atlikušie 10% atbilst heterochromatīnam. Mēs sīki aprakstīsim katru veidu:

I. heterohromatīns

raksturojums

Galvenā atšķirība, kas pastāv starp abiem hromatīna veidiem, ir saistīta ar molekulas sablīvēšanās pakāpi vai “iesaiņojuma” pakāpi īpašos šūnu dalīšanas posmos.

Lai arī ģenētiskais materiāls šķiet nejauši izkliedēts interfeisā, tas nav šādā veidā.

Šajā posmā ir ievērojama organizācija, kad kodolā var redzēt hromosomu materiāla diferenciālo sadalījumu.

Hromosomu DNS nesavienojas ar citu hromosomu DNS virkni un paliek īpašos reģionos, ko sauc par hromosomu teritorijām. Liekas, ka šī organizācija veicina gēnu ekspresiju.

Heterohromatīns ir spēcīgi kondensēts, padarot to nepieejamu transkripcijas mašīnām - tāpēc tas netiek transkribēts. Turklāt tas ir slikts gēnu skaita ziņā.

Heterohromatīna veidi

Atsevišķi heterohromatīna reģioni ir noturīgi visā šūnu līnijā - tas ir, tas vienmēr izturēsies tāpat kā heterohromatīns. Šis heterohromatīna veids ir pazīstams kā konstitutīvs. Tā piemērs ir hromosomu saīsinātie reģioni, kurus sauc par centromēriem un telomeriem.

Turpretī ir dažas heterohromatīna daļas, kas var mainīties sablīvēšanās pakāpē, reaģējot uz attīstības modeļa vai vides mainīgo izmaiņām.

Pateicoties jauniem pētījumiem, šis uzskats tiek pārveidots, un tagad ir pierādījumi, ka konstitutīvais heterochromatīns ir arī dinamisks un spēj reaģēt uz stimuliem.

Uzbūve

Viens no faktoriem, kas nosaka hromatīna struktūru, ir histonu ķīmiskās modifikācijas. Hromatīna gadījumā, kas ir transkripcijā neaktīvs, tie uzrāda hipoacetilētus histonus.

Acetilgrupu skaita samazināšanās ir saistīta ar gēnu apklusināšanu, jo tā neslēpj lizīnu pozitīvo lādiņu, ļaujot spēcīgai elektrostatiskai mijiedarbībai starp DNS un histoniem.

Vēl viens epiģenētiskais zīmols ir metilēšana. Tomēr, tā kā metilgrupas pievienošana nemaina olbaltumvielu lādiņu, tā sekas (gēnu aktivizēšana vai deaktivizēšana) nav tik acīmredzamas un būs atkarīgas no histona reģiona, kurā zīme ir atrasta.

Empīriski ir atklāts, ka H3K4me3 un H3K36me3 metilēšana ir saistīta ar gēnu aktivizēšanu, un H3K9me3 un H3K27me3.

Iespējas

Konstitutīvā heterohromatīna piemērā mēs pieminējam centromēru. Šim hromosomu reģionam ir strukturāla loma un tas veicina hromosomu kustību gan mitotisku, gan meiotisku šūnu dalīšanās notikumu laikā.

II. Euchromatin

raksturojums

Pretstatā heterohromatīnam, eihromatīns ir mazāk kompakta molekula, tāpēc transkripcijas mašīnām ir viegli pieejama (īpaši RNS polimerāzes enzīms) un to var aktīvi ekspresēt, izmantojot ģenētiskos ceļus.

Uzbūve

Transkripcijas laikā aktīva hromatīna nukleosomas struktūru raksturo acetilēti histoni. Monometilēto lizīnu klātbūtne ir saistīta arī ar gēnu aktivizēšanu.

Acetilgrupas pievienošana šiem histona lizīna atlikumiem neitralizē minētās aminoskābes pozitīvo lādiņu. Tiešās šo izmaiņu sekas ir elektrostatiskās mijiedarbības samazināšana starp histonu un DNS, radot brīvāku hromatīnu.

Šī strukturālā modifikācija ļauj ģenētiskajam materiālam mijiedarboties ar transkripcijas mehānismu, kam raksturīga īpaša ietilpība.

Iespējas

Euchromatīns ietver visus gēnus, kas ir aktīvi un kurus sasniedz ar fermentatīvu mehānismu, kas saistīts ar transkripciju. Tāpēc funkcijas ir tikpat plašas kā iesaistīto gēnu funkcijas.

Atsauces

1. Grevals, SI, un Moazed, D. (2003). Heterohromatīnu un gēnu ekspresijas epiģenētiskā kontrole. zinātne, 301 (5634), 798–802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Heterohromatīnu un gēnu pozicionēšana: iekšpusē, ārpusē, jebkurā pusē ?. Hromosoma, 121 (6), 555–563.
3. Lewins, B. (2008). Gēni IX. Džounss un Bartletas izdevēji.
4. Tollefsbol, TO (2011). Epiģenētikas rokasgrāmata. Akadēmiskā prese.
5. Vangs, J., Jia, ST, un Jia, S. (2016). Jauns ieskats heterohromatīna regulācijā. Tendences ģenētikā: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Džan, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). Pārskats par hromatīnu regulējošajiem proteīniem šūnās. Pašreizējā zinātne par olbaltumvielām un peptīdiem, 17 (5), 401–410.