HVA ER DNA-EMBALLASJE? - BIOLOGI - 2026

Den pakking av DNA er et begrep som definerer den kontrollerte komprimering av DNA i cellen. I ingen celle (og faktisk ikke engang i virus) er DNA-fri, løs og i sann løsning.

DNA er et ekstremt langt molekyl som også alltid samhandler med et stort utvalg av forskjellige proteiner. For bearbeiding, arv og kontroll av uttrykket av genene det bærer, vedtar DNA en bestemt romlig organisasjon. Dette oppnås av cellen ved streng kontrollering av hvert trinn av DNA-pakking på forskjellige nivåer av komprimering.

Kromatin: fra avslappet (venstre) til kondensert (høyre). Hentet fra commons.wikimedia.org

Virus har forskjellige pakningsstrategier for nukleinsyrene deres. En av favorittene er dannelsen av kompakte spiraler. Det kan sies at virus er nukleinsyrer pakket i selve proteinene som dekker, beskytter og mobiliserer dem.

I prokaryoter er DNA assosiert med proteiner som bestemmer dannelsen av komplekse løkker i en struktur som kalles nukleoid. Det maksimale nivået av DNA-komprimering i en eukaryotisk celle er derimot det mitotiske eller meiotiske kromosomet.

Det eneste tilfellet der et B-DNA ikke pakkes, er et forskningslaboratorium som forfølger dette formålet.

DNA-struktur

DNA består av to antiparallelle bånd som danner en dobbel helix. Hver av dem har et fosfodiesterbindingsskjelett som sukkerarter knyttet til nitrogenholdige baser er festet på.

Inne i molekylet danner nitrogenholdige baser i ett bånd hydrogenbindinger (to eller tre) med det komplementære båndet.

I et molekyl som dette viser de fleste viktige bindingsvinkler fri rotasjon. Nitrogenbase-sukker, sukker-fosfatgruppe og fosfodiesterbindinger er fleksible.

Dette gjør at DNA, sett på som en fleksibel stang, for å vise en viss evne til å bøye seg og vri seg. Denne fleksibiliteten gjør at DNA kan adoptere komplekse lokale strukturer, og danne interaksjonssløyfer på korte, mellomstore og lange avstander.

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

Bakterienukleoid

Selv om det ikke er en uknuselig regel, eksisterer bakteriekromosomet som et enkelt superoppviklet dobbeltbånd-DNA-molekyl.

Den doble heliksen vrir seg mer på seg selv (mer enn 10 bp per omdreining) og gir dermed noe komprimering. Lokale knop blir også generert takket være manipulasjoner som kontrolleres enzymatisk.

I tillegg er det sekvenser i DNA som lar domener danne seg i store løkker. Vi kaller strukturen som følge av superkjølingen og bestilte løkker for en nukleoid.

Disse gjennomgår dynamiske endringer takket være noen proteiner som gir en viss strukturell stabilitet til det komprimerte kromosomet. Graden av komprimering i bakterier og archaea er så effektiv at det kan være mer enn ett kromosom per nukleoid.

Nukleoiden komprimerer det prokaryote DNA minst 1000 ganger. Den meget topologiske strukturen til nukleoiden er en grunnleggende del av reguleringen av genene som kromosomet bærer. Det vil si at struktur og funksjon utgjør den samme enheten.

Nivåene av komprimering av det eukaryote kromosomet

DNAet i den eukaryote kjernen er ikke naken. Det samhandler med mange proteiner, hvorav de viktigste er histoner. Histoner er små, positivt ladede proteiner som binder seg til DNA på en uspesifikk måte.

I kjernen det vi observerer er et komplekst DNA: histoner, som vi kaller kromatin. Det sterkt kondenserte kromatinet, som generelt ikke uttrykkes, er heterokromatin. I kontrast er det minst komprimerte (løsere), eller eukromatin, kromatin med gener som kommer til uttrykk.

Chromatin har forskjellige nivåer av komprimering. Det mest elementære er nukleosomet; Det blir fulgt av solenoidfiber og kromatinløkker i mellomfasen. Det er først når et kromosom deler seg at maksimale komprimeringsnivåer vises.

Nukleosomet

Nukleosomet er den grunnleggende enheten for organisering av kromatin. Hvert nukleosom består av en oktamer av histoner som danner en slags trommel.

Oktameren består av to kopier av hver av histonene H2A, H2B, H3 og H4. Rundt dem går DNAet 1,7 ganger. Det blir fulgt av en brøkdel av gratis DNA kalt en 20 bp linker assosiert med histon H1, og deretter et annet nukleosom. Mengden DNA i et nukleosom og det som binder det til et annet er omtrent 166 basepar.

Dette DNA-emballasjetrinnet komprimerer molekylet omtrent 7 ganger. Det vil si at vi går fra en meter til litt over 14 cm DNA.

Denne pakningen er mulig fordi de positive histonene avbryter den negative ladningen av DNA, og den påfølgende elektrostatisk frastøtning. Den andre grunnen er at DNA kan bøyes på en slik måte at det kan vende octamer av histoner.

30nm fiber

Fiberen med perler i et kjede dannet av mange påfølgende nukleosomer blir videre viklet inn i en mer kompakt struktur.

Selv om vi ikke er sikre på hvilken struktur den faktisk bruker, vet vi at den når en tykkelse på omtrent 30 nm. Dette er den såkalte 30 nm fiber; Histone H1 er viktig for dens dannelse og stabilitet.

30 nm fiber er den grunnleggende strukturelle enheten til heterokromatin. Det fra slappe nukleosomer, eukromatin.

Bånd og svinger

30 nm fiberen er imidlertid ikke helt lineær. Tvert imot, det danner løkker på omtrent 300 nm på en svingete måte på en lite kjent proteinmatrise.

Disse løkkene på en proteinmatrise danner en mer kompakt kromatinfiber med en diameter på 250 nm. Til slutt samkjører de seg som en enkelt helix 700 nm tykk, noe som gir opphav til en av søsterkromatidene til et mitotisk kromosom.

Til syvende og sist komprimerer DNA i kjernekromatin omtrent 10.000 ganger på kromosomet til den delende cellen. I grensesnittkjernen er dens komprimering også høy siden den er omtrent 1000 ganger sammenlignet med det "lineære" DNA.

Meiotisk komprimering av DNA

I utviklingsbiologiens verden sies gametogenese å tilbakestille epigenomet. Det vil si at det sletter DNA-merkene som livet til personen som ga opphav til den produserte eller opplevde gameten.

Disse kodene inkluderer DNA-metylering og kovalente modifikasjoner av histoner (Kode for histoner). Men ikke hele epigenomet tilbakestilles. Det som gjenstår med merker, vil være ansvarlig for det genetiske avtrykket fra mor eller mor.

Den implisitte tilbakestillingen til gametogenese er lettere å se i sædceller. I sæd er ikke DNA fullpakket med histoner. Derfor blir informasjonen som er knyttet til dens modifikasjoner i den produserende organismen generelt ikke arvet.

I sæd pakkes DNA takket være samspillet med uspesifikke DNA-bindende proteiner kalt protaminer. Disse proteinene danner disulfidbindinger med hverandre, og hjelper dermed til å danne overlappende DNA-lag som ikke frastøter hverandre elektrostatisk.

referanser

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. utgave). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) DNA-emballasje: Nukleosomer og kromatin. Naturopplæring 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetikk: analyse og prinsipper. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturelt og funksjonelt kart over en bakteriell nukleoid. Genombiologi, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Måling av dobbel helix. Science, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) Det strukturelle grunnlaget 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 funksjon. FEBS Journal, 282: 2279-2295.