CHROMATYNA: RODZAJE, CECHY, BUDOWA, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

Chromatyny jest kompleksem utworzonym przez DNA i białka tylko w organizmach eukariotycznych. Pod względem proporcji zawiera prawie dwa razy więcej białek niż materiał genetyczny. Najważniejszymi białkami tego kompleksu są histony - małe, dodatnio naładowane białka, które wiążą się z DNA poprzez oddziaływania elektrostatyczne. Dodatkowo chromatyna zawiera ponad tysiąc innych białek niż histony.

Podstawową jednostką chromatyny jest nukleosom, który składa się z połączenia histonów i DNA. Ten układ przypomina koraliki na naszyjniku. Po przejściu przez wszystkie wyższe poziomy organizacji DNA dojdziemy do chromosomów.

Źródło: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcock Praca pochodna: Gouttegd

Struktura chromatyny jest ściśle związana z kontrolą ekspresji genów. Istnieją dwa główne typy: euchromatyna i heterochromatyna.

Euchromatyna charakteryzuje się niskim stopniem zagęszczenia, co przekłada się na wysoki poziom transkrypcji. Natomiast heterochromatyna jest nieaktywna transkrypcyjnie ze względu na wysoki stopień zagęszczenia.

Strukturalnie istnieją pewne epigenetyczne znamiona histonów typowe dla obu typów chromatyny. Podczas gdy euchromatyna jest związana z acetylacją, heterochromatyna jest związana ze spadkiem grup chemicznych.

Istnieją pewne regiony heterochromatyny z funkcjami strukturalnymi, takie jak telomery i centromery.

Perspektywa historyczna

Badania materiału genetycznego i jego organizacji strukturalnej rozpoczęto w 1831 roku, kiedy badacz Robert Brown opisał jądro. Jednym z bezpośrednich pytań związanych z tym odkryciem było zapytanie o biologiczną i chemiczną naturę tej struktury.

Kwestie te zaczęto wyjaśniać między 1870 a 1900 rokiem dzięki eksperymentom Friedricha Mieschera, który wprowadził słowo nukleina. Jednak Walther Flemming modyfikuje ten termin i używa chromatyny w odniesieniu do substancji jądrowej.

Wraz z upływem czasu zaczyna się pogłębiać znajomość materiału genetycznego i jego właściwości. Dopiero w 1908 roku włoski badacz Pasquale Baccarini zauważył, że chromatyna nie jest jednorodna i udało mu się uwidocznić małe ciała wewnątrz jądra.

Rodzaje chromatyny - euchromatyna i heterochromatyna - zostały po raz pierwszy zaproponowane przez Emila Heitza w 1928 r. Aby ustalić tę klasyfikację, Heitz polegał na zastosowaniu barwników.

W 1974 roku biolog Roger Kornberg zaproponował model organizacji materiału genetycznego w strukturach znanych jako nukleosomy, hipotezę potwierdzoną empirycznie przez eksperymenty Markusa Noll.

Co to jest chromatyna?

Składniki chromatyny: DNA i białka

Chromatyna jest nukleoproteiną utworzoną przez połączenie materiału genetycznego - DNA - z heterogenicznym zestawem białek. To skojarzenie jest wysoce dynamiczne i uzyskuje złożoną trójwymiarową konformację, która pozwala mu pełnić funkcje regulacyjne i strukturalne.

Jednym z najważniejszych białek chromatyny są histony, które występują w prawie takiej samej proporcji jak DNA.

Histony to podstawowe białka, niezwykle konserwowane w całej ewolucyjnej historii istot organicznych - to znaczy, nasze histony nie różnią się zbytnio w porównaniu z histonami innych ssaków, a nawet innych zwierząt bardziej odległych filogenetycznie.

Ładunek histonów jest dodatni, więc mogą one oddziaływać poprzez siły elektrostatyczne z ładunkiem ujemnym szkieletu fosforanowego obecnego w DNA. Istnieje pięć typów histonów, a mianowicie: H1, H2A, H2B, H3 i H4.

Istnieje również szereg białek o innym charakterze niż histony, które uczestniczą w zagęszczaniu DNA.

Zagęszczanie DNA: nukleosomy

Podstawową jednostką chromatyny są nukleosomy - powtarzalne struktury zbudowane z DNA i histonów, konformacji występującej w całym materiale genetycznym.

Podwójna helisa DNA jest zwinięta w kompleks ośmiu histonów zwanych oktamerami histonów. Cząsteczka zwija się w około dwóch zwojach, po czym następuje krótki region (między 20 a 60 parami zasad), który oddziela nukleosomy od siebie.

Aby zrozumieć tę organizację, musimy wziąć pod uwagę, że cząsteczka DNA jest niezwykle długa (około 2 metry) i musi być nawinięta w uporządkowany sposób, aby osadzić się w jądrze (którego średnica wynosi od 3 do 10 µm). Ponadto musi być udostępniony do replikacji i transkrypcji.

Cel ten osiąga się przy różnych poziomach zagęszczenia DNA, z których pierwszym są wyżej wymienione nukleosomy. Przypominają one koraliki na naszyjniku z pereł. Około 150 par zasad DNA jest rannych w domowych „zliczeniach”.

W bakteriach nie ma prawdziwych historii. W przeciwieństwie do tego istnieje szereg białek przypominających histony i przypuszcza się, że przyczyniają się one do pakowania bakteryjnego DNA.

Najlepsza organizacja

Organizacja chromatyny nie jest ograniczona na poziomie nukleosomów. To połączenie białek i DNA jest zgrupowane razem w grubszej strukturze około 30 nm - z powodu tej grubości nazywa się to poziomem „włókna 30 nm”.

Chromatyna zorganizowana w grubości 30 nm jest zorganizowana w postaci pętli, które rozciągają się w rodzaj rusztowania o charakterze białkowym (nie histonowym).

Jest to obecnie stosowany model, chociaż można oczekiwać bardziej złożonych mechanizmów zagęszczania. Ostateczna organizacja składa się z chromosomu.

Błędy w organizacji chromatyny

Zagęszczenie i organizacja materiału genetycznego ma kluczowe znaczenie dla wielu funkcji biologicznych. Różne schorzenia wiązały się z błędami w budowie chromatyny, między innymi talasemią alfa sprzężoną z chromosomem X, zespołem Rubinsteina-Taybiego, zespołem Coffina-Lowry'ego, zespołem Retta.

Rodzaje chromatyny

Istnieją dwa rodzaje chromatyny w komórce, ujawnione przez zastosowanie barwników: euchromatyna („prawdziwa” chromatyna) i heterochromatyna. W pierwszym przypadku barwienie jest słabo widoczne, w drugim barwienie jest intensywne.

Ta strukturalna organizacja DNA jest unikalna dla organizmów eukariotycznych i ma kluczowe znaczenie dla zachowania chromosomów i regulacji ekspresji genów.

Jeśli ocenimy proporcje obu typów chromatyny w komórce będącej w interfazie, stwierdzimy, że około 90% chromatyny to euchromatyna, a pozostałe 10% to heterochromatyna. Poniżej szczegółowo opiszemy każdy typ:

I. Heterochromatyna

cechy

Główna różnica, jaka istnieje między oboma typami chromatyny, jest związana ze stopniem zagęszczenia lub „upakowania” cząsteczki na określonych etapach podziału komórki.

Chociaż wydaje się, że materiał genetyczny jest losowo rozrzucony na interfejsie, nie jest w ten sposób.

Na tym etapie istnieje znacząca organizacja, w której w jądrze można zobaczyć zróżnicowany podział materiału chromosomowego.

DNA chromosomów nie splata się z nicią DNA innych chromosomów i pozostaje w określonych regionach zwanych terytoriami chromosomowymi. Wydaje się, że ta organizacja przyczynia się do ekspresji genów.

Heterochromatyna jest silnie skondensowana, przez co jest niedostępna dla mechanizmu transkrypcji - więc nie podlega transkrypcji. Jest również ubogi pod względem liczby posiadanych genów.

Rodzaje heterochromatyny

Pewne regiony heterochromatyny są trwałe w całej linii komórkowej - to znaczy, że zawsze będzie zachowywać się jak heterochromatyna. Ten typ heterochromatyny jest znany jako konstytutywny. Przykładem tego są skondensowane regiony chromosomów zwane centromerami i telomerami.

W przeciwieństwie do tego, istnieją części heterochromatyny, które mogą zmieniać poziom zagęszczenia w odpowiedzi na zmiany wzorców rozwojowych lub zmiennych środowiskowych.

Dzięki nowym badaniom pogląd ten jest przeformułowywany i obecnie istnieją dowody na to, że konstytutywna heterochromatyna jest również dynamiczna i zdolna do reagowania na bodźce.

Struktura

Jednym z czynników determinujących budowę chromatyny są chemiczne modyfikacje histonów. W przypadku chromatyny nieaktywnej transkrypcyjnie wykazują one hipoacetylowane histony.

Zmniejszenie liczby grup acetylowych jest związane z wyciszaniem genów, ponieważ nie maskuje dodatniego ładunku lizyn, umożliwiając silną interakcję elektrostatyczną między DNA i histonami.

Kolejną marką epigenetyczną jest metylacja. Ponieważ jednak dodanie grupy metylowej nie modyfikuje ładunku białka, jego konsekwencja (aktywacja lub dezaktywacja genów) nie jest tak oczywista i będzie zależała od regionu histonu, w którym znajduje się znak.

Stwierdzono empirycznie, że metylacja H3K4me3 i H3K36me3 jest związana z aktywacją genów oraz H3K9me3 i H3K27me3.

cechy

W przykładzie konstytutywnej heterochromatyny wymieniamy centromer. Ten region chromosomowy pełni rolę strukturalną i uczestniczy w ruchu chromosomów podczas mitotycznych i mejotycznych wydarzeń podziału komórek.

II. Euchromatyna

cechy

W przeciwieństwie do heterochromatyny, euchromatyna jest mniej zwartą cząsteczką, więc maszyneria transkrypcyjna ma łatwy dostęp (szczególnie enzym polimerazy RNA) i może być aktywnie wyrażana na szlakach genetycznych.

Struktura

Strukturę nukleosomu aktywnej transkrypcyjnie chromatyny charakteryzują acetylowane histony. Obecność monometylowanych lizyn jest również związana z aktywacją genów.

Dodanie grupy acetylowej do tych reszt histonów lizyny neutralizuje dodatni ładunek wspomnianego aminokwasu. Bezpośrednią konsekwencją tej zmiany jest zmniejszenie oddziaływań elektrostatycznych między histonem i DNA, co prowadzi do powstania luźniejszej chromatyny.

Ta strukturalna modyfikacja pozwala na interakcje materiału genetycznego z maszynerią transkrypcyjną, która charakteryzuje się wyjątkowo dużą masą.

cechy

Euchromatyna obejmuje wszystkie aktywne geny, do których udaje się dotrzeć przez mechanizm enzymatyczny związany z transkrypcją. Dlatego funkcje są tak szerokie, jak funkcje zaangażowanych genów.

Bibliografia

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterochromatyna i epigenetyczna kontrola ekspresji genów. science, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B. i Cardoso, MC (2012). Heterochromatyna i pozycjonowanie genów: wewnątrz, na zewnątrz, po dowolnej stronie? Chromosoma, 121 (6), 555–563.
3. Lewin, B. (2008). Geny IX. Jones and Bartlett Publishers.
4. Tollefsbol, TO (2011). Podręcznik epigenetyki. Academic Press.
5. Wang, J., Jia, ST i Jia, S. (2016). Nowe spojrzenie na regulacje dotyczące heterochromatyny. Trendy w genetyce: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG i Pollock, RE (2016). Przegląd białek regulujących chromatynę w komórkach. Obecna nauka o białkach i peptydach, 17 (5), 401–410.