KAS IR DNS IEPAKOJUMS? - BIOLOĢIJA - 2025

DNS iepakojuma ir termins, kas definē kontrolējamā sablīvēšanu DNS šūnā. Nevienā šūnā (un patiešām pat ne vīrusos) nav DNS, vaļīga un īstā šķīdumā.

DNS ir ārkārtīgi gara molekula, kas arī vienmēr mijiedarbojas ar milzīgu dažādu olbaltumvielu klāstu. Pārnēsāto gēnu apstrādes, pārmantošanas un izpausmju kontroles kontrolei DNS pieņem īpašu telpisko organizāciju. To panāk šūna, stingri kontrolējot katru DNS iesaiņošanas posmu dažādos sablīvēšanās līmeņos.

Hromatīns: no atvieglota (pa kreisi) līdz kondensētam (pa labi). Ņemts no commons.wikimedia.org

Vīrusiem ir atšķirīgas nukleīnskābju iepakošanas stratēģijas. Viens no iecienītākajiem veidiem ir kompaktu spirāļu veidošanās. Varētu teikt, ka vīrusi ir nukleīnskābes, kas iesaiņotas pašos proteīnos, kas tos pārklāj, aizsargā un mobilizē.

Prokariotos DNS tiek saistīts ar olbaltumvielām, kas nosaka sarežģītu cilpu veidošanos struktūrā, ko sauc par nukleoīdu. Savukārt maksimālais DNS sablīvēšanās līmenis eikariotu šūnā ir mitotiskā vai meiotiskā hromosoma.

Vienīgais gadījums, kad B-DNS nav iesaiņots, ir pētniecības laboratorija, kas darbojas šajā nolūkā.

DNS struktūra

DNS veido divas antiparalēlas joslas, kas veido dubultu spirāli. Katrā no tām ir fosfodiestera saites skelets, uz kura ir piestiprināti cukuri, kas saistīti ar slāpekļa bāzēm.

Molekulā vienas joslas slāpekļa bāzes veido ūdeņraža saites (divas vai trīs) ar komplementa joslu.

Šādā molekulā lielākajai daļai svarīgo saišu leņķu ir brīva rotācija. Slāpekļa bāzes cukura, cukura fosfāta grupas un fosfodiestera saites ir elastīgas.

Tas ļauj DNS, ko uzskata par elastīgu stieni, parādīt spēju saliekties un sagriezties. Šī elastība ļauj DNS pieņemt sarežģītas lokālas struktūras un veidot mijiedarbības cilpas nelielos, vidējos un lielos attālumos.

Šī elastība izskaidro arī to, kā 2 metrus DNS var uzturēt katrā cilvēka diploīdā šūnā. Gametē (haploīdā šūnā) tas būtu metrs DNS.

Baktēriju nukleoīds

Lai arī tas nav nepārkāpjams noteikums, baktēriju hromosoma eksistē kā viena supergrozīta divjoslu DNS molekula.

Divkāršā spirāle vērpjas vairāk par sevi (vairāk nekā 10 bāzes uz pagriezienu), tādējādi panākot nelielu sablīvēšanos. Vietējie mezgli tiek ģenerēti arī pateicoties manipulācijām, kuras tiek kontrolētas fermentatīvi.

Turklāt DNS ir secības, kas ļauj domēniem veidoties lielās cilpās. Struktūru, kas rodas superdzesēšanas un pasūtīto cilpu rezultātā, mēs saucam par nukleoīdu.

Pateicoties dažām olbaltumvielām, kas nodrošina sablīvētā hromosomas strukturālu stabilitāti, tās notiek dinamiski. Blīvēšanas pakāpe baktērijās un archaea ir tik efektīva, ka vienā nukleoīdā var būt vairāk nekā viena hromosoma.

Nukleoīds saplūst prokariotu DNS vismaz apmēram 1000 reizes. Nukleoīda ļoti topoloģiskā struktūra ir būtiska hromosomas pārnēsājamo gēnu regulēšanas sastāvdaļa. Tas ir, struktūra un funkcija veido vienu un to pašu vienību.

Eikariotu hromosomas sablīvēšanās līmeņi

DNS eikariotu kodolā nav kails. Tas mijiedarbojas ar daudzām olbaltumvielām, no kurām svarīgākās ir histones. Histoni ir mazi, pozitīvi lādēti proteīni, kas nespecifiskā veidā saistās ar DNS.

Kodolā mēs novērojam sarežģītu DNS: histonus, kurus mēs saucam par hromatīniem. Ļoti kondensētais hromatīns, kas parasti nav izteikts, ir heterohromatīns. Turpretī vismazāk sablīvētais (vaļīgākais) jeb euchromatīns ir hromatīns ar izteiktiem gēniem.

Hromatīnam ir dažādi sablīvēšanās līmeņi. Visvienkāršākais ir nukleosomas; Tam seko solenoīda šķiedras un starpfāzu hromatīna cilpas. Tikai tad, kad hromosoma dalās, tiek parādīti maksimālie sablīvēšanās līmeņi.

Nukleosoma

Nukleosoma ir hromatīna organizācijas pamatvienība. Katru nukleosomu veido histonu oktimērs, kas veido sava veida bungas.

Oktamērs sastāv no diviem histonu H2A, H2B, H3 un H4 eksemplāriem. Ap viņiem DNS iet apmēram 1,7 reizes. Tam seko brīvas DNS frakcija, ko sauc par 20 bp savienojumu, kas saistīts ar histonu H1, un pēc tam vēl viena nukleosoma. DNS daudzums nukleosomā un tas, kas to saista ar citu, ir aptuveni 166 bāzes pāri.

Šis DNS iesaiņošanas posms molekulu sablīvē apmēram 7 reizes. Tas ir, mēs ejam no viena metra uz nedaudz vairāk kā 14 cm DNS.

Šī iesaiņošana ir iespējama, jo pozitīvie histoni atceļ DNS negatīvo lādiņu un no tā izrietošo elektrostatisko pašrepulsiju. Otrs iemesls ir tas, ka DNS var saliekt tādā veidā, ka tā var uzsist histonu oktimēru.

30nm šķiedra

Krelles krelles šķiedra, ko veido daudzas secīgas nukleosomas, tiek tālāk ietīta kompaktākā struktūrā.

Lai arī mums nav skaidrības par to, kādu struktūru tas faktiski pieņem, mēs zinām, ka tā biezums sasniedz aptuveni 30 nm. Šī ir tā saucamā 30 nm šķiedra; Histons H1 ir būtisks tā veidošanai un stabilitātei.

30 nm šķiedra ir heterohromatīna galvenā strukturālā vienība. Lakas nukleosomas, euchromatin.

Kaklasaites un pagriezieni

30 nm šķiedra tomēr nav pilnīgi lineāra. Gluži pretēji, tas veido cilpas, kuru garums ir apmēram 300 nm, un tā ir maznozīmīga olbaltumvielu matrica.

Šīs cilpas uz olbaltumvielu matricas veido kompaktāku hromatīna šķiedru diametru 250 nm. Visbeidzot, tie izlīdzinās kā viena spirāle, kuras biezums ir 700 nm, un tas rada vienu no mitotiskās hromosomas māsu hromatīdām.

Galu galā DNS kodolu hromatīnā apmēram 10 000 reizes sablīvējas uz dalāmās šūnas hromosomu. Starpfāzu kodolā arī tā sablīvēšanās ir augsta, jo tā ir apmēram 1000 reizes salīdzinājumā ar "lineāro" DNS.

DNS meiotiskā sablīvēšana

Attīstības bioloģijas pasaulē ir teikts, ka gametoģenēze atjauno epigenomu. Tas ir, tas izdzēš DNS zīmes, kas norāda, ka dzīvība ir radusies vai pieredzēta tā cilvēka dzīvībai, kurš izraisīja dzimumšūnu.

Šajos marķējumos ietilpst DNS metilēšana un histonu kovalentās modifikācijas (kods histoniem). Bet ne viss epigenoms tiek atiestatīts. Tas, kas paliek zīmēm, būs atbildīgs par tēva vai mātes ģenētisko nospiedumu.

Netiešo gametoģenēzes atjaunošanu spermā ir vieglāk pamanīt. Spermā DNS nav iepakots ar histoniem. Tāpēc informācija, kas saistīta ar tā modifikācijām producējošajā organismā, parasti nav iedzimta.

Spermā DNS tiek iesaiņots, pateicoties mijiedarbībai ar nespecifiskiem DNS saistošiem proteīniem, ko sauc par protamīniem. Šie proteīni veido disulfīda saites savā starpā, tādējādi palīdzot veidot pārklājošos DNS slāņus, kas elektrostatiski neatgrūž viens otru.

Atsauces

1. Alberts, B., Džonsons, AD, Lūiss, J., Morgans, D., Rafs, M., Roberts, K., Valters, P. (2014) Šūnas molekulārā bioloģija (6. izdevums). WW Norton & Company, Ņujorka, NY, ASV.
2. Annunziato, A. (2008) DNS iepakojums: nukleosomas un hromatīns. Dabas izglītība 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Ģenētika: analīze un principi. McGraw-Hill augstākā izglītība, Ņujorka, NY, ASV.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Baktēriju nukleoīda strukturālā un funkcionālā karte. Genoma bioloģija, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) dubultās spirāles atkārtota mērīšana. Science, 17: 446-449.
6. Traverss, AA (2004) DNS elastības strukturālais pamats. Londonas Karaliskās biedrības filozofiskie darījumi, A sērija, 362: 1423–1438.
7. Traverss, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNS struktūra un funkcijas. FEBS Vēstnesis, 282: 2279–2295.