Chromatinové typy, vlastnosti, struktura, funkce

The chromatin Jedná se o komplex tvořený DNA a bílkovinami, jedinečný v eukaryotických organismech. Pokud jde o poměr, obsahuje téměř dvakrát tolik bílkovin než genetický materiál. Nejdůležitějšími proteiny v tomto komplexu jsou histony - malé, pozitivně nabité proteiny, které se vážou na DNA elektrostatickými interakcemi. Kromě toho má chromatin více než tisíc proteinů jiných než histony..

Základní jednotkou chromatinu je nukleosom, který se skládá ze spojení histonů a DNA. Toto uspořádání připomíná korálky na náhrdelníku. Poté, co projdeme všemi vyššími úrovněmi organizace DNA, dosáhneme chromozomů.

Struktura chromatinu úzce souvisí s kontrolou genové exprese. Existují dva hlavní typy: euchromatin a heterochromatin.

Euchromatin je charakterizován nízkým stupněm zhutnění, což se projevuje vysokou úrovní transkripce. Naproti tomu je heterochromatin transkripčně neaktivní kvůli vysokému stupni zhutnění..

Strukturálně existují určité epigenetické znaky histonů typické pro oba typy chromatinů. Zatímco euchromatin je spojen s acetylací, heterochromatin je spojen s poklesem chemických skupin.

Existují některé oblasti heterochromatinu se strukturálními funkcemi, jako jsou telomery a centromery.

Rejstřík článků

• 1 Historická perspektiva
• 2 Co je to chromatin?
  • 2.1 Složky chromatinu: DNA a proteiny
  • 2.2 Zhutnění DNA: nukleosomy
  • 2.3 Špičková organizace
  • 2.4 Chyby v organizaci chromatinu
• 3 typy chromatinu
  • 3.1 I. Heterochromatin
  • 3.2 II. Euchromatin
• 4 Odkazy

Historická perspektiva

Studium genetického materiálu a jeho strukturní organizace začalo v roce 1831, kdy výzkumník Robert Brown popsal jádro. Jednou z bezprostředních otázek tohoto objevu bylo zjistit biologickou a chemickou povahu této struktury..

Tyto otázky začaly být objasňovány mezi lety 1870 a 1900 experimenty Friedricha Mieschera, který zavedl slovo nuklein. Walther Flemming však termín a použití modifikuje chromatin odkazovat na jadernou látku.

S postupem času začnete mít hlubší pochopení genetického materiálu a jeho vlastností. Až v roce 1908 si italský výzkumník Pasquale Baccarini všiml, že chromatin není homogenní, a podařilo se mu vizualizovat malá tělesa uvnitř jádra..

Typy chromatinů - euchromatin a heterochromatin - původně navrhl Emil Heitz v roce 1928. Pro stanovení této klasifikace se Heitz spoléhal na použití skvrn.

V roce 1974 biolog Roger Kornberg navrhl model pro organizaci genetického materiálu ve strukturách známých jako nukleosomy, hypotéza byla empiricky potvrzena experimenty Markuse Nolla..

Co je to chromatin?

Složky chromatinu: DNA a proteiny

Chromatin je nukleoprotein vytvořený spojením genetického materiálu - DNA - s heterogenní sadou proteinů. Toto sdružení je vysoce dynamické a získává složitou trojrozměrnou konformaci, která mu umožňuje vykonávat jeho regulační a strukturální funkce..

Jedním z nejdůležitějších proteinů chromatinu jsou histony, které se nacházejí téměř ve stejném poměru jako DNA.

Histony jsou základní bílkoviny, pozoruhodně konzervované v celé evoluční historii organických bytostí - to znamená, že naše histony se příliš neliší ve srovnání s těmi jiných savců, dokonce ani u jiného zvířete ve vzdálenější fylogenetice.

Poplatek histonů je pozitivní, takže mohou interagovat prostřednictvím elektrostatických sil s negativním nábojem fosfátové kostry přítomné v DNA. Existuje pět typů histonů, jmenovitě: H1, H2A, H2B, H3 a H4.

Existuje také celá řada proteinů jiné povahy než histony, které se účastní zhutňování DNA..

Zhutnění DNA: nukleosomy

Základní jednotkou chromatinu jsou nukleosomy - opakující se struktury tvořené DNA a histony, konformace nalezená v genetickém materiálu..

Dvojitá šroubovice DNA je navinuta do komplexu osmi histonů známých jako histonový oktamer. Molekula se navíjí přibližně ve dvou závitech, po nichž následuje krátká oblast (mezi 20 a 60 páry bází), která od sebe odděluje nukleosomy..

Abychom pochopili tuto organizaci, musíme vzít v úvahu, že molekula DNA je extrémně dlouhá (asi 2 metry) a musí být řádně navinuta, aby se mohla usadit v jádru (jehož průměr je 3 až 10 µm). Kromě toho musí být k dispozici pro replikaci a přepis..

Tohoto cíle je dosaženo s různými úrovněmi zhutnění DNA, z nichž první jsou výše uvedené nukleosomy. Ty připomínají korálky na perlovém náhrdelníku. Přibližně 150 párů bází DNA je navinuto doma „počítá“.

V bakteriích neexistují žádné skutečné příběhy. Naproti tomu existuje řada proteinů, které se podobají histonům a předpokládá se, že tyto přispívají k balení bakteriální DNA..

Špičková organizace

Organizace chromatinu není na úrovni nukleosomů omezena. Tato asociace proteinů a DNA je seskupena do silnější struktury asi 30 nm - kvůli této tloušťce se jí říká „vlákno 30 nm“..

Chromatin organizovaný v tloušťce 30 nm je zase organizován ve formě smyček, které se rozprostírají v jakémsi lešení proteinové povahy (ne histony).

Toto je aktuálně používaný model, i když lze očekávat existenci složitějších zhutňovacích mechanismů. Konečnou organizaci tvoří chromozom.

Chyby v organizaci chromatinu

Zhutnění a organizace genetického materiálu je zásadní pro mnoho biologických funkcí. S chybami ve struktuře chromatinu jsou spojeny různé zdravotní stavy, mimo jiné X-vázaná alfa talasémie, Rubinstein-Taybiho syndrom, Coffin-Lowryho syndrom, Rettův syndrom..

Typy chromatinu

V buňce existují dva typy chromatinu, které se projeví aplikací skvrn: euchromatin („pravý“ chromatin) a heterochromatin. V prvním případě je zbarvení slabě pozorováno, zatímco ve druhém je zbarvení intenzivní.

Tato strukturní organizace DNA je pro eukaryotické organismy jedinečná a je zásadní pro chování chromozomů a regulaci genové exprese..

Pokud vyhodnotíme proporce obou typů chromatinů v buňce, která je v interfázi, zjistíme, že přibližně 90% chromatinu je euchromatin a zbývajících 10% odpovídá heterochromatinu. Níže podrobně popíšeme každý typ:

I. Heterochromatin

Vlastnosti

Hlavní rozdíl, který existuje mezi oběma typy chromatinu, souvisí se stupněm zhutnění nebo „zabalení“ molekuly během specifických stadií dělení buněk..

Ačkoli se na rozhraní genetický materiál zdá být náhodně rozptýlen, není tomu tak.

V této fázi existuje významná organizace, kde je uvnitř jádra vidět diferenciální rozdělení chromozomálního materiálu.

DNA chromozomů se neprotíná s řetězcem DNA jiných chromozomů a zůstává ve specifických oblastech zvaných chromozomální teritoria. Zdá se, že tato organizace přispívá k genové expresi.

Heterochromatin je silně kondenzovaný, takže je pro transkripční aparát nepřístupný - proto se nepřepisuje. Kromě toho je špatná, pokud jde o počet genů, které má..

Druhy heterochromatinu

Některé oblasti heterochromatinu jsou perzistentní v celé buněčné linii - tj., navždy bude se chovat jako heterochromatin. Tento typ heterochromatinu je znám jako konstitutivní. Příkladem toho jsou kondenzované oblasti chromozomů, které se nazývají centromery a telomery..

Naproti tomu existují části heterochromatinu, které mohou měnit úroveň zhutnění v reakci na změny vývojových vzorců nebo proměnných prostředí..

Díky novým studiím se tato vize přeformuluje a nyní existují důkazy, že konstitutivní heterochromatin je také dynamický a schopný reagovat na podněty..

Struktura

Jedním z faktorů, které určují strukturu chromatinu, jsou chemické modifikace histonů. V případě transkripčně neaktivního chromatinu vykazují hypoacetylované histony.

Snížení počtu acetylových skupin je spojeno s umlčováním genů, protože nezakrývá pozitivní náboj lysinů, což umožňuje silnou elektrostatickou interakci mezi DNA a histony..

Další epigenetickou značkou je methylace. Jelikož však přidání methylové skupiny nemění náboj proteinu, není jeho důsledek (aktivace nebo deaktivace genů) tak zřejmý a bude záviset na oblasti histonu, kde se značka nachází..

Empiricky bylo zjištěno, že methylace H3K4me3 a H3K36me3 je spojena s aktivací genů a H3K9me3 a H3K27me3.

Funkce

V příkladu konstitutivního heterochromatinu zmiňujeme centromeru. Tato chromozomální oblast má strukturální roli a přispívá k pohybu chromozomů během dělení mitotických i meiotických buněk..

II. Euchromatin

Vlastnosti

Na rozdíl od heterochromatinu je euchromatin méně kompaktní molekula, takže transkripční aparát má snadný přístup (konkrétně enzym RNA polymeráza) a může být aktivně exprimován genetickými cestami.

Struktura

Struktura nukleosomů transkripčně aktivního chromatinu je charakterizována acetylovanými histony. Přítomnost monomethylovaných lysinů je také spojena s aktivací genů.

Přidání acetylové skupiny k těmto histonovým lysinovým zbytkům neutralizuje pozitivní náboj uvedené aminokyseliny. Okamžitým důsledkem této změny je snížení elektrostatických interakcí mezi histonem a DNA, které generuje volnější chromatin.

Tato strukturální modifikace umožňuje interakce genetického materiálu s transkripčním aparátem, který se vyznačuje tím, že je obzvláště objemný..

Funkce

Euchromatin zahrnuje všechny geny, které jsou aktivní a je jich možné dosáhnout enzymatickým aparátem souvisejícím s transkripcí. Proto jsou funkce stejně široké jako funkce příslušných genů..

Reference

1. Grewal, S. I., & Moazed, D. (2003). Heterochromatin a epigenetická kontrola genové exprese. Věda, 301(5634), 798-802.
2. Jost, K.L., Bertulat, B., & Cardoso, M.C. (2012). Heterochromatin a umístění genů: uvnitř, venku, na libovolné straně?. Chromozóm, 121(6), 555-563.
3. Lewin, B. (2008). Geny IX. Vydavatelé Jones a Bartlett.
4. Tollefsbol, T. O. (2011). Příručka epigenetiky. Akademický tisk.
5. Wang, J., Jia, S. T. a Jia, S. (2016). Nové poznatky o regulaci heterochromatinu. Trendy v genetice: TIG, 32(5), 284-294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, C. G., & Pollock, R. E. (2016). Přehled proteinů regulujících chromatin v buňkách. Současná věda o bílkovinách a peptidech, 17(5), 401-410.