HVAD ER DNA-EMBALLAGE? - BIOLOGI - 2025

Den pakning af DNA er et begreb, der definerer den kontrollerede komprimering af DNA i cellen. I ingen celle (og faktisk ikke engang i vira) er DNA fri, løs og i ægte opløsning.

DNA er et ekstremt langt molekyle, der også altid interagerer med en lang række forskellige proteiner. Med henblik på behandling, arv og kontrol af ekspressionen af ​​de gener, det bærer, vedtager DNA en bestemt rumlig organisation. Dette opnås ved hjælp af cellen ved streng kontrol af hvert trin af DNA-emballage i forskellige komprimeringsniveauer.

Kromatin: fra afslappet (venstre) til kondenseret (højre). Taget fra commons.wikimedia.org

Vira har forskellige emballagestrategier for deres nukleinsyrer. En af favoritterne er dannelsen af ​​kompakte spiraler. Det kan siges, at vira er nukleinsyrer, der er pakket i selve proteinerne, der dækker, beskytter og mobiliserer dem.

I prokaryoter er DNA forbundet med proteiner, der bestemmer dannelsen af ​​komplekse sløjfer i en struktur kaldet nukleoid. Det maksimale niveau af DNA-komprimering i en eukaryot celle er på den anden side det mitotiske eller meiotiske kromosom.

Det eneste tilfælde, hvor et B-DNA ikke er pakket, er et forskningslaboratorium, der forfølger dette formål.

DNA-struktur

DNA består af to antiparallelle bånd, der danner en dobbelt helix. Hver af dem har et fosfodiesterbindingsskelet, hvorpå sukkerarter bundet til nitrogenholdige baser er bundet.

Inde i molekylet danner de nitrogenholdige baser i et bånd hydrogenbindinger (to eller tre) med det komplementære bånd.

I et molekyle som dette viser de fleste af de vigtige bindingsvinkler fri rotation. Nitrogenbase-sukker, sukker-fosfatgruppe og phosphodiester-bindinger er fleksible.

Dette gør det muligt for DNA, der ses som en fleksibel stang, at vise en vis evne til at bøje og vri. Denne fleksibilitet gør det muligt for DNA at indføre komplekse lokale strukturer og danne interaktionssløjfer på korte, mellemstore og lange afstande.

Denne fleksibilitet forklarer også, hvordan 2 meter DNA kan opretholdes i hver diploid celle i et menneske. I en gamet (haploid celle) ville det være en meter DNA.

Bakterienukleoid

Selvom det ikke er en uknuselig regel, eksisterer bakteriekromosomet som et enkelt superforviklet dobbeltbånd-DNA-molekyle.

Den dobbelte helix drejer mere på sig selv (mere end 10 bp pr. Tur) og frembringer således en vis komprimering. Lokale knuder genereres også takket være manipulationer, der kontrolleres enzymatisk.

Derudover er der sekvenser i DNA, der tillader domæner at dannes i store sløjfer. Vi kalder strukturen, der er resultatet af superafkølingen, og ordrede løkker er en nukleoid.

Disse gennemgår dynamiske ændringer takket være nogle proteiner, der giver en vis strukturel stabilitet til det komprimerede kromosom. Graden af ​​komprimering i bakterier og archaea er så effektiv, at der kan være mere end et kromosom pr. Nukleoid.

Nukleoiden komprimerer det prokaryotiske DNA mindst ca. 1000 gange. Den meget topologiske struktur af nukleoiden er en grundlæggende del af reguleringen af ​​de gener, som kromosomet bærer. Det vil sige, struktur og funktion udgør den samme enhed.

Niveauerne af komprimering af det eukaryote kromosom

DNA'et i den eukaryotiske kerne er ikke nøgen. Det interagerer med mange proteiner, hvoraf de vigtigste er histoner. Histoner er små, positivt ladede proteiner, der binder til DNA på en ikke-specifik måde.

I kernen er det, vi observerer, et komplekst DNA: histoner, som vi kalder kromatin. Den stærkt kondenserede kromatin, der generelt ikke udtrykkes, er heterochromatin. I modsætning hertil er det mindst komprimerede (løsere) eller euchromatin kromatin med gener, der udtrykkes.

Chromatin har forskellige niveauer af komprimering. Det mest elementære er nukleosomets; Det efterfølges af solenoidfiber- og interfase-kromatin-løkker. Det er kun, når et kromosom deler sig, at de maksimale komprimeringsniveauer vises.

Nukleosomet

Nukleosomet er den basale enhed til organisering af kromatin. Hvert nukleosom består af en oktamer af histoner, der danner en slags tromme.

Oktameren består af to kopier af hver af histonerne H2A, H2B, H3 og H4. Omkring dem går DNA'et omkring 1,7 gange. Det efterfølges af en brøkdel af frit DNA kaldet en 20 bp linker forbundet med histon H1 og derefter et andet nukleosom. Mængden af ​​DNA i et nukleosom og det, der binder det til et andet, er ca. 166 basepar.

Dette DNA-emballagetrin komprimerer molekylet ca. 7 gange. Det vil sige, vi går fra en meter til lidt over 14 cm DNA.

Denne pakning er mulig, fordi de positive histoner annullerer den negative ladning af DNA'et, og den deraf følgende elektrostatiske selvafvisende. Den anden grund er, at DNA kan bøjes på en sådan måde, at det kan vende histonen på octamer.

30nm fiber

Fiberen med perler i en halskæde dannet af mange successive nukleosomer vikles yderligere ind i en mere kompakt struktur.

Selvom vi ikke er klar over, hvilken struktur den faktisk vedtager, ved vi vel, at den når en tykkelse på ca. 30 nm. Dette er den såkaldte 30 nm fiber; Histone H1 er essentiel for dens dannelse og stabilitet.

30 nm fiber er den basale strukturelle enhed af heterochromatin. Den for slappe nukleosomer, den for euchromatin.

Bånd og vendinger

30 nm fiber er imidlertid ikke helt lineær. Tværtimod danner det løkker på ca. 300 nm i en svingende måde på en lidt kendt proteinmatrix.

Disse løkker på en proteinmatrix danner en mere kompakt kromatinfiber med en diameter på 250 nm. Til sidst justeres de som en enkelt helix, der er 700 nm tyk, hvilket giver anledning til en af ​​søsterkromatiderne i et mitotisk kromosom.

I sidste ende komprimeres DNA'et i nukleær chromatin ca. 10.000 gange på kromosomet i den delende celle. I interfasekernen er dens komprimering også høj, da den er ca. 1000 gange sammenlignet med det "lineære" DNA.

Den meiotiske komprimering af DNA

I udviklingsbiologiens verden siges gametogenese at nulstille epigenomet. Det vil sige, det sletter DNA-mærkerne, at livet for den person, der gav anledning til det producerede eller oplevede gamet.

Disse tags inkluderer DNA-methylering og kovalente modifikationer af histoner (kode for histoner). Men ikke hele epigenomet nulstilles. Det, der forbliver med mærker, er ansvarlig for det faderlige eller det moderlige genetiske aftryk.

Den implicitte nulstilling til gametogenese er lettere at se i sædcellerne. I sædceller er DNA ikke pakket med histoner. Derfor er de oplysninger, der er knyttet til dens ændringer i den producerende organisme, generelt ikke arvet.

I sædceller pakkes DNA takket være interaktionen med ikke-specifikke DNA-bindende proteiner kaldet protaminer. Disse proteiner danner disulfidbindinger med hinanden, hvilket hjælper med at danne overlappende DNA-lag, som ikke frastøder hinanden elektrostatisk.

Referencer

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. udgave). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) DNA-emballage: Nukleosomer og kromatin. Naturundervisning 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetik: analyse og principper. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturelt og funktionelt kort over en bakterienukleoid. Genombiologi, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Genmåling af dobbelt helix. Videnskab, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) Det strukturelle grundlag for DNA-fleksibilitet. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, serie A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNA-struktur og funktion. FEBS Journal, 282: 2279-2295.