KROMATIN: TYPER, EGENSKAPER, STRUKTUR, FUNKSJONER - BIOLOGI - 2026

Den kromatin er komplekset dannet ved DNA og proteiner bare i eukaryote organismer. Når det gjelder proporsjoner, inneholder det nesten dobbelt så mange proteiner som det gjør genetisk materiale. De viktigste proteinene i dette komplekset er histoner - små, positivt ladede proteiner som binder seg til DNA gjennom elektrostatisk interaksjon. I tillegg har kromatin mer enn tusen proteiner utenom histoner.

Den grunnleggende enheten for kromatin er nukleosomet, som består av foreningen av histoner og DNA. Denne ordningen minner om perlene på et halskjede. Etter å ha gått gjennom alle de høyere nivåene av DNA-organisering, vil vi ankomme kromosomene.

Kilde: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd

Kromatinstruktur er nært beslektet med kontroll av genuttrykk. Det er to hovedtyper: eukromatin og heterokromatin.

Euchromatin kjennetegnes ved å ha en lav grad av komprimering, noe som betyr mye transkripsjon. I kontrast er heterokromatin transkripsjonelt inaktiv, på grunn av den høye grad av komprimering.

Strukturelt sett er det visse epigenetiske merker av histonene som er typiske for begge typer kromatiner. Mens eukromatin er assosiert med acetylering, er heterokromatin assosiert med en nedgang i kjemiske grupper.

Det er noen regioner av heterokromatin med strukturelle funksjoner, for eksempel telomerer og sentromerer.

Historisk perspektiv

Studien av genetisk materiale og dens strukturelle organisering begynte i 1831 da forskeren Robert Brown beskrev kjernen. Et av de umiddelbare spørsmålene til denne oppdagelsen var å forhøre seg om den biologiske og kjemiske naturen til denne strukturen.

Disse spørsmålene begynte å bli belyst mellom 1870 og 1900, med eksperimentene til Friedrich Miescher, som introduserte ordet nuclein. Walther Flemming endrer imidlertid begrepet og bruker kromatin for å referere til kjernefysisk stoff.

Med tidens gang begynner man å ha en dypere kunnskap om arvestoffet og dets egenskaper. Det var først i 1908 da den italienske forskeren Pasquale Baccarini la merke til at kromatinet ikke var homogent og klarte å visualisere små kropper inne i kjernen.

Typene kromatiner - eukromatin og heterokromatin - ble opprinnelig foreslått av Emil Heitz i 1928. For å etablere denne klassifiseringen, stolte Heitz på bruken av flekker.

I 1974 foreslo biologen Roger Kornberg en modell for organisering av genetisk materiale i strukturer kjent som nukleosomer, en hypotese bekreftet empirisk av eksperimentene til Markus Noll.

Hva er kromatin?

Kromatinkomponenter: DNA og proteiner

Kromatin er et nukleoprotein dannet av forening av genetisk materiale - DNA - med et heterogent sett med proteiner. Denne assosiasjonen er svært dynamisk og skaffer seg en kompleks tredimensjonal konstruksjon som gjør at den kan utføre sine regulatoriske og strukturelle funksjoner.

Et av de viktigste proteinene i kromatin er histoner, som finnes i nesten samme andel som DNA.

Histoner er basale proteiner, bemerkelsesverdig bevart gjennom organiske vesener i evolusjonshistorien - det vil si at histonene våre ikke varierer mye sammenlignet med de fra andre pattedyr, til og med et annet dyr fjernere fylogenetisk.

Ladningen av histoner er positiv, slik at de kan samhandle gjennom elektrostatiske krefter med den negative ladningen av fosfatryggraden som er til stede i DNA. Det er fem typer histoner, nemlig: H1, H2A, H2B, H3 og H4.

Det er også et antall proteiner av en annen art enn histoner som deltar i komprimeringen av DNA.

DNA-komprimering: nukleosomer

Grunnenheten for kromatin er nukleosomer - repetitive strukturer som består av DNA og histoner, en konformasjon som finnes i genetisk materiale.

DNA-dobbeltspiralen vikles inn i et kompleks av åtte histoner kjent som en histonoktamer. Molekylet spoler i omtrent to svinger, etterfulgt av et kort område (mellom 20 og 60 basepar) som skiller nukleosomene fra hverandre.

For å forstå denne organisasjonen, må vi ta hensyn til at DNA-molekylet er ekstremt langt (ca. 2 meter) og må vikles på en ryddig måte for å etablere seg i kjernen (hvis diameter er 3 til 10 um). Videre må den gjøres tilgjengelig for replikering og transkripsjon.

Dette målet oppnås med forskjellige nivåer av DNA-komprimering, den første er de nevnte nukleosomer. Disse ligner perlene på et perlekjede. Omtrent 150 basepar med DNA blir såret hjemme "teller".

Det er ingen sanne historier i bakterier. Derimot er det en serie proteiner som minner om histoner, og disse antas å bidra til pakking av bakteriell DNA.

Topp organisasjon

Organiseringen av kromatin er ikke begrenset på nukleosomnivå. Denne forbindelsen av proteiner og DNA er gruppert sammen i en tykkere struktur på omtrent 30 nm - på grunn av denne tykkelsen kalles den "30 nm fiber" -nivået.

Kromatinet som er organisert i tykkelsen 30 nm, er organisert i form av løkker som strekker seg i et slags stillas av proteinart (ikke histoner).

Dette er modellen som brukes nå, selv om mer komplekse komprimeringsmekanismer kan forventes. Den endelige organisasjonen består av kromosomet.

Feil i organiseringen av kromatin

Komprimering og organisering av genetisk materiale er viktig for flere biologiske funksjoner. Ulike medisinske tilstander har blitt assosiert med feil i kromatinstrukturen, blant dem X-koblet alfa-thalassemia, Rubinstein-Taybi syndrom, Coffin-Lowry syndrom, Rett syndrom, blant andre.

Kromatintyper

Det er to typer kromatin i cellen, avslørt ved påføring av flekker: eukromatin ("ekte" kromatin) og heterokromatin. I det første tilfellet er fargingen svakt observert, mens i det andre fargingen er intens.

Denne strukturelle organisasjonen av DNA er unik for eukaryote organismer og er avgjørende for atferden til kromosomer og regulering av genuttrykk.

Hvis vi evaluerer proporsjonene av begge typene kromatiner i en celle som er i mellomfase, finner vi at omtrent 90% av kromatinet er eukromatin og de resterende 10% tilsvarer heterokromatin. Vi vil beskrive hver type i detalj nedenfor:

I. Heterokromatin

kjennetegn

Hovedforskjellen som eksisterer mellom begge typene kromatin er relatert til graden av komprimering eller "pakking" av molekylet under spesifikke stadier i celledeling.

Selv om det genetiske materialet ser ut til å være tilfeldig spredt ved grensesnittet, er det ikke på denne måten.

Det er en betydelig organisasjon på dette stadiet, hvor en differensial partisjon av det kromosomale materialet kan sees i kjernen.

DNA fra kromosomer flettes ikke sammen med DNA-strengen til andre kromosomer og forblir i spesifikke regioner som kalles kromosomale territorier. Denne organisasjonen ser ut til å bidra til genuttrykk.

Heterokromatin er kraftig kondensert, noe som gjør det utilgjengelig for transkripsjonsmaskineriet - så det blir ikke transkribert. Dessuten er den dårlig med tanke på antall gener det har.

Typer heterokromatin

Enkelte regioner av heterokromatin er vedvarende i hele cellelinjer - det vil si at det alltid vil oppføre seg som heterokromatin. Denne typen heterokromatin er kjent som konstitutiv. Et eksempel på dette er de kondenserte områdene av kromosomer kalt sentromerer og telomerer.

Derimot er det deler av heterokromatin som kan variere nivået av komprimering som respons på endringer i utviklingsmønstre eller miljøvariabler.

Takket være nye studier omformuleres dette synet, og nå er det bevis for at konstitutivt heterokromatin også er dynamisk og i stand til å svare på stimuli.

Struktur

En av faktorene som bestemmer strukturen til kromatin er de kjemiske modifiseringene av histoner. Når det gjelder kromatin som er transkripsjonelt inaktiv, viser de hypoacetylerte histoner.

Nedgangen i antall acetylgrupper er assosiert med gendemping, siden den ikke maskerer den positive ladningen av lysiner, noe som tillater en sterk elektrostatisk interaksjon mellom DNA og histoner.

Et annet epigenetisk merke er metylering. Ettersom tilsetningen av en metylgruppe ikke modifiserer proteinets ladning, er dens konsekvens (aktivering eller deaktivering av gener) imidlertid ikke så åpenbar og vil avhenge av området av histonet der merket er funnet.

Empirisk har det blitt funnet at metyleringen av H3K4me3 og H3K36me3 er assosiert med genaktivering og den av H3K9me3 og H3K27me3.

Egenskaper

I eksemplet med konstitutivt heterokromatin nevner vi sentromer. Denne kromosomale regionen har en strukturell rolle og bidrar til bevegelse av kromosomer under både mitotiske og meiotiske celledelingshendelser.

II. eukromatin

kjennetegn

I motsetning til heterokromatin, er eukromatin et mindre kompakt molekyl, så transkripsjonsmaskineriet har enkel tilgang (spesifikt RNA-polymerase-enzymet) og kan uttrykkes aktivt gjennom genetiske veier.

Struktur

Strukturen til et nukleosom av et transkripsjonelt aktivt kromatin er preget av acetylerte histoner. Tilstedeværelsen av monometylerte lysiner er også assosiert med genaktivering.

Tilsetningen av en acetylgruppe til disse histonlysinrestene nøytraliserer den positive ladningen av nevnte aminosyre. Den umiddelbare konsekvensen av denne endringen er reduksjonen av elektrostatisk interaksjon mellom histon og DNA, og genererer et løsere kromatin.

Denne strukturelle modifikasjonen tillater interaksjoner mellom det genetiske materialet og det transkripsjonsmaskineriet, som er preget av å være spesielt klumpete.

Egenskaper

Euchromatin omfatter alle gener som er aktive og klarer å nås med enzymatisk maskineri relatert til transkripsjon. Derfor er funksjonene like brede som funksjonene til genene som er involvert.

referanser

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterokromatin og epigenetisk kontroll av genuttrykk. vitenskap, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Heterokromatin og genposisjonering: inne, ute, hvilken som helst side ?. Kromosom, 121 (6), 555–563.
3. Lewin, B. (2008). Gener IX. Jones og Bartlett Publisher.
4. Tollefsbol, TO (2011). Epokenetics håndbok. Academic Press.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Ny innsikt i reguleringen av Heterochromatin. Trender innen genetikk: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). En oversikt over kromatinregulerende proteiner i celler. Nåværende protein- og peptidvitenskap, 17 (5), 401–410.