KROMATIN: TYPER, EGENSKABER, STRUKTUR, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den kromatin er komplekset dannet ved hjælp af DNA og proteiner kun i eukaryote organismer. Proportionelt indeholder den næsten dobbelt så mange proteiner, som det gør genetisk materiale. De vigtigste proteiner i dette kompleks er histoner - små, positivt ladede proteiner, der binder til DNA gennem elektrostatisk interaktion. Derudover har kromatin mere end tusind proteiner andre end histoner.

Den grundlæggende enhed af kromatin er nukleosomet, der består af foreningen af ​​histoner og DNA. Dette arrangement minder om perlerne på en halskæde. Når vi har gennemgået alle de højere niveauer af DNA-organisation, kommer vi til kromosomerne.

Kilde: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivativt arbejde: Gouttegd

Chromatinstruktur er tæt beslægtet med kontrollen af ​​genekspression. Der er to hovedtyper: euchromatin og heterochromatin.

Euchromatin er kendetegnet ved at have en lav grad af komprimering, hvilket omsættes til høje transskriptionsniveauer. I modsætning hertil er heterochromatin transkriptionelt inaktivt på grund af dets høje grad af komprimering.

Strukturelt set er der visse epigenetiske mærker af histoner, der er typiske for begge typer kromatiner. Mens euchromatin er forbundet med acetylering, er heterochromatin forbundet med et fald i kemiske grupper.

Der er nogle regioner af heterochromatin med strukturelle funktioner, såsom telomerer og centromerer.

Historisk perspektiv

Undersøgelsen af ​​genetisk materiale og dets strukturelle organisation begyndte i 1831, da forskeren Robert Brown beskrev kernen. Et af de øjeblikkelige spørgsmål til denne opdagelse var at forhøre sig om den biologiske og kemiske natur af denne struktur.

Disse spørgsmål begyndte at blive belyst mellem 1870 og 1900 med eksperimenterne af Friedrich Miescher, der introducerede ordet nuclein. Walther Flemming ændrer imidlertid udtrykket og bruger kromatin til at henvise til det nukleare stof.

Med tiden går man i gang med at have en dybere viden om det genetiske materiale og dets egenskaber. Det var først i 1908, da den italienske forsker Pasquale Baccarini bemærkede, at kromatinet ikke var homogent og lykkedes at visualisere små kroppe inde i kernen.

Typerne af kromatiner - euchromatin og heterochromatin - blev oprindeligt foreslået af Emil Heitz i 1928. For at fastlægge denne klassificering var Heitz afhængig af brugen af ​​pletter.

I 1974 foreslog biologen Roger Kornberg en model til organisering af genetisk materiale i strukturer kendt som nukleosomer, en hypotese bekræftet empirisk af eksperimenterne fra Markus Noll.

Hvad er kromatin?

Kromatinkomponenter: DNA og proteiner

Chromatin er et nukleoprotein dannet ved forening af genetisk materiale - DNA - med et heterogent sæt proteiner. Denne tilknytning er meget dynamisk og erhverver en kompleks tredimensionel konformation, der giver den mulighed for at udføre sine regulatoriske og strukturelle funktioner.

Et af de vigtigste proteiner i kromatin er histoner, som findes i næsten samme andel som DNA.

Histoner er basale proteiner, som bemærkelsesværdigt konserveres gennem organiske væseners evolutionshistorie - det vil sige, vores histoner varierer ikke meget sammenlignet med dem fra andre pattedyr, endda et andet dyr mere fjernt fylogenetisk.

Ladningen af ​​histoner er positiv, så de kan interagere gennem elektrostatiske kræfter med den negative ladning af fosfatryggen, der er til stede i DNA. Der er fem typer histoner, nemlig: H1, H2A, H2B, H3 og H4.

Der er også et antal proteiner af en anden art end histoner, der deltager i komprimering af DNA.

DNA-komprimering: nukleosomer

Den basale enhed for chromatin er nukleosomer - gentagne strukturer, der består af DNA og histoner, en konformation, der findes i genetisk materiale.

DNA-dobbelt spiralen vikles ind i et kompleks af otte histoner, der er kendt som en histone-oktaamer. Molekylet spoler i ca. to vendinger, efterfulgt af et kort område (mellem 20 og 60 basepar), der adskiller nukleosomerne fra hinanden.

For at forstå denne organisation skal vi tage højde for, at DNA-molekylet er ekstremt langt (ca. 2 meter) og skal vikles på en ordnet måde for at etablere sig i kernen (hvis diameter er 3 til 10 um). Desuden skal det stilles til rådighed for replikation og transkription.

Dette mål opnås med forskellige niveauer af DNA-komprimering, hvor det første er de ovennævnte nukleosomer. Disse ligner perlerne på en perlekæde. Cirka 150 basepar af DNA afvikles derhjemme "tæller".

Der er ingen sande historier i bakterier. I modsætning hertil er der en række proteiner, der minder om histoner, og disse antages at bidrage til pakningen af ​​bakterielt DNA.

Top organisation

Organiseringen af ​​kromatin er ikke begrænset på nukleosomniveau. Denne forbindelse af proteiner og DNA grupperes sammen i en tykkere struktur på ca. 30 nm - på grund af denne tykkelse kaldes det niveauet "30 nm fiber".

Kromatinet, der er organiseret i tykkelsen på 30 nm, er organiseret i form af løkker, der strækker sig i et slags stillads af proteinart (ikke histoner).

Dette er den model, der i øjeblikket anvendes, selvom der kan forventes mere komplekse komprimeringsmekanismer. Den endelige organisation består af kromosomet.

Fejl i organiseringen af ​​kromatin

Komprimering og organisering af genetisk materiale er afgørende for flere biologiske funktioner. Forskellige medicinske tilstande er blevet forbundet med fejl i kromatinstrukturen, blandt dem X-bundet alfa-thalassæmi, Rubinstein-Taybi-syndrom, Coffin-Lowry-syndrom, Rett-syndrom, blandt andre.

Kromatintyper

Der er to typer chromatin i cellen, afsløret ved påføring af pletter: euchromatin ("ægte" kromatin) og heterochromatin. I det første tilfælde er farvningen svagt observeret, mens farvningen i det andet er intens.

Denne strukturelle organisering af DNA er unik for eukaryote organismer og er afgørende for kromosomernes opførsel og regulering af genekspression.

Hvis vi vurderer forholdene mellem begge typer chromatiner i en celle, der er i interfase, finder vi, at ca. 90% af kromatinet er euchromatin, og de resterende 10% svarer til heterochromatin. Vi beskriver hver type i detaljer nedenfor:

I. Heterochromatin

egenskaber

Den største forskel, der findes mellem begge typer chromatin, er relateret til graden af ​​komprimering eller "pakning" af molekylet i specifikke trin i celledeling.

Selvom det genetiske materiale ser ud til at være tilfældigt spredt ved grænsefladen, er det ikke på denne måde.

Der er en betydelig organisation på dette trin, hvor en differentiel opdeling af det kromosomale materiale kan ses i kernen.

Kromosomernes DNA flettes ikke sammen med DNA-strengen i andre kromosomer og forbliver i specifikke regioner, der kaldes kromosomale territorier. Denne organisation synes at bidrage til genekspression.

Heterochromatin er kraftigt kondenseret, hvilket gør det utilgængeligt for transkriptionsmaskineriet - så det ikke transkriberes. Det er også ringe med hensyn til antallet af gener, det har.

Typer af heterochromatin

Visse regioner af heterochromatin er vedvarende i hele cellelinier - det vil sige, det vil altid opføre sig som heterochromatin. Denne type heterochromatin er kendt som konstitutiv. Et eksempel på dette er de kondenserede regioner af kromosomer kaldet centromerer og telomerer.

I modsætning hertil er der dele af heterochromatin, der kan variere niveauet for komprimering som respons på ændringer i udviklingsmønstre eller miljøvariabler.

Takket være nye undersøgelser omformuleres dette synspunkt, og nu er der bevis for, at konstitutivt heterochromatin også er dynamisk og i stand til at reagere på stimuli.

Struktur

En af de faktorer, der bestemmer strukturen af ​​kromatin, er de kemiske modifikationer af histoner. I tilfælde af kromatin, der er transkriptionelt inaktiv, udviser de hypoacetylerede histoner.

Faldet i antallet af acetylgrupper er forbundet med gendæmpning, da det ikke maskerer den positive ladning af lysiner, hvilket tillader en stærk elektrostatisk interaktion mellem DNA og histoner.

Et andet epigenetisk brand er methylering. Da tilsætningen af ​​en methylgruppe ikke ændrer proteinets ladning, er dens konsekvens (aktivering eller deaktivering af gener) ikke så åbenlyst og vil afhænge af regionen i histonen, hvor mærket findes.

Empirisk har det vist sig, at methyleringen af ​​H3K4me3 og H3K36me3 er forbundet med genaktivering og den af ​​H3K9me3 og H3K27me3.

Funktioner

I eksemplet med konstitutivt heterochromatin nævner vi centromeren. Denne kromosomale region har en strukturel rolle og bidrager til bevægelse af kromosomer under både mitotiske og meiotiske celledelingsbegivenheder.

II. euchromatin

egenskaber

I modsætning til heterochromatin er euchromatin et mindre kompakt molekyle, så transkriptionsmaskineriet har let adgang (specifikt RNA-polymeraseenzymet) og kan udtrykkes aktivt gennem genetiske veje.

Struktur

Strukturen af ​​et nukleosom af en transkriptionelt aktiv kromatin er kendetegnet ved acetylerede histoner. Tilstedeværelsen af ​​monomethylerede lysiner er også forbundet med genaktivering.

Tilsætningen af ​​en acetylgruppe til disse histonlysinrester neutraliserer den positive ladning af nævnte aminosyre. Den umiddelbare konsekvens af denne ændring er reduktionen af ​​elektrostatisk interaktion mellem histon og DNA, hvilket genererer en løsere kromatin.

Denne strukturelle ændring tillader interaktioner mellem det genetiske materiale og det transkriptionelle maskineri, som er kendetegnet ved at være særlig klodset.

Funktioner

Euchromatin omfatter alle gener, der er aktive og formår at nås med det enzymatiske maskineri, der er relateret til transkription. Derfor er funktionerne lige så brede som funktionerne af de involverede gener.

Referencer

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterochromatin og epigenetisk kontrol af genekspression. videnskab, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Heterochromatin og genpositionering: indvendigt, udvendigt, hvilken som helst side ?. Kromosom, 121 (6), 555-563.
3. Lewin, B. (2008). Gen IX. Jones og Bartlett forlag.
4. Tollefsbol, TO (2011). Epogenetics håndbog. Academic Press.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Ny indsigt i reguleringen af ​​Heterochromatin. Tendenser inden for genetik: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). En oversigt over kromatinregulerende proteiner i celler. Aktuel protein- og peptidvidenskab, 17 (5), 401–410.