CO TO JEST OPAKOWANIE DNA? - BIOLOGIA - 2025

Opakowania DNA jest określeniem, które określa, że kontrolowany zagęszczenie DNA w komórce. W żadnej komórce (a nawet wirusach) DNA nie jest wolne, luźne iw prawdziwym roztworze.

DNA to niezwykle długa cząsteczka, która zawsze oddziałuje z ogromną różnorodnością różnych białek. W celu przetwarzania, dziedziczenia i kontroli ekspresji przenoszonych genów DNA przyjmuje określoną organizację przestrzenną. Jest to realizowane przez komórkę poprzez ścisłą kontrolę każdego etapu pakowania DNA na różnych poziomach zagęszczenia.

Chromatyna: od zrelaksowanej (po lewej) do skondensowanej (po prawej). Zaczerpnięte z commons.wikimedia.org

Wirusy mają różne strategie pakowania swoich kwasów nukleinowych. Jednym z ulubionych jest tworzenie zwartych spiral. Można powiedzieć, że wirusy to kwasy nukleinowe upakowane w tych samych białkach, które je pokrywają, chronią i mobilizują.

U prokariotów DNA jest związane z białkami, które determinują tworzenie złożonych pętli w strukturze zwanej nukleoidem. Z drugiej strony maksymalny poziom zagęszczenia DNA w komórce eukariotycznej to chromosom mitotyczny lub mejotyczny.

Jedynym przypadkiem, w którym B-DNA nie jest pakowany, jest laboratorium badawcze, które dąży do tego celu.

Struktura DNA

DNA składa się z dwóch antyrównoległych pasm, które tworzą podwójną helisę. Każdy z nich ma szkielet z wiązaniem fosfodiestrowym, do którego przyczepione są cukry związane z zasadami azotowymi.

Wewnątrz cząsteczki zasady azotowe jednego pasma tworzą wiązania wodorowe (dwa lub trzy) z pasmem komplementarnym.

W takiej cząsteczce większość ważnych kątów wiązań wykazuje swobodną rotację. Azotowa zasada cukru, grupa cukrowo-fosforanowa i wiązania fosfodiestrowe są elastyczne.

Dzięki temu DNA, postrzegane jako elastyczny pręt, wykazuje pewną zdolność do zginania i skręcania. Ta elastyczność umożliwia DNA przyjmowanie złożonych struktur lokalnych i tworzenie pętli interakcji na krótkich, średnich i długich dystansach.

Ta elastyczność wyjaśnia również, w jaki sposób 2 metry DNA można utrzymać w każdej diploidalnej komórce człowieka. W gamecie (komórce haploidalnej) byłby to metr DNA.

Bakteryjny nukleoid

Chociaż nie jest to zasada nierozerwalna, chromosom bakteryjny istnieje jako pojedyncza superskręcona dwupasmowa cząsteczka DNA.

Podwójna helisa skręca się bardziej na sobie (więcej niż 10 pz na obrót), powodując pewne zagęszczenie. Lokalne węzły powstają również dzięki manipulacjom kontrolowanym enzymatycznie.

Ponadto w DNA istnieją sekwencje, które pozwalają domenom tworzyć duże pętle. Strukturę wynikającą z przechłodzenia i uporządkowanych pętli nazywamy nukleoidem.

Te ulegają dynamicznym zmianom dzięki niektórym białkom, które zapewniają pewną strukturalną stabilność zagęszczonemu chromosomowi. Stopień zagęszczenia bakterii i archeonów jest tak wydajny, że na nukleoid może przypadać więcej niż jeden chromosom.

Nukleoid zagęszcza prokariotyczny DNA co najmniej około 1000 razy. Sama topologiczna struktura nukleoidu jest podstawową częścią regulacji genów, które przenosi chromosom. Oznacza to, że struktura i funkcja stanowią tę samą jednostkę.

Poziomy zagęszczenia chromosomu eukariotycznego

DNA w jądrze eukariotycznym nie jest nagie. Oddziałuje z wieloma białkami, z których najważniejszymi są histony. Histony to małe, dodatnio naładowane białka, które wiążą się z DNA w niespecyficzny sposób.

W jądrze obserwujemy złożone DNA: histony, które nazywamy chromatyną. Silnie skondensowana chromatyna, która na ogół nie ulega ekspresji, to heterochromatyna. Natomiast najmniej zagęszczona (luźniejsza) lub euchromatyna jest chromatyna z genami, które ulegają ekspresji.

Chromatyna ma różne stopnie zagęszczenia. Najbardziej elementarny jest nukleosom; Po nim następuje włókno solenoidu i pętle chromatyny międzyfazowej. Dopiero gdy chromosom się podzieli, pokazane są maksymalne poziomy zagęszczenia.

Nukleosom

Nukleosom jest podstawową jednostką organizacyjną chromatyny. Każdy nukleosom składa się z oktameru histonów, które tworzą rodzaj bębna.

Oktamer składa się z dwóch kopii każdego z histonów H2A, H2B, H3 i H4. Wokół nich DNA krąży około 1,7 razy. Po nim następuje część wolnego DNA zwana łącznikiem o wielkości 20 pz związanym z histonem H1, a następnie kolejny nukleosom. Ilość DNA w nukleosomie i tym, co wiąże go z innym, wynosi około 166 par zasad.

Ten etap pakowania DNA zagęszcza cząsteczkę około 7 razy. Oznacza to, że przechodzimy od jednego metra do nieco ponad 14 cm DNA.

To upakowanie jest możliwe, ponieważ dodatnie histony znoszą ujemny ładunek DNA i wynikającą z tego elektrostatyczną samo-odpychanie. Innym powodem jest to, że DNA może być wygięte w taki sposób, że może odwrócić oktamer histonów.

Włókno 30nm

Włókno koralików w naszyjniku utworzonym przez wiele kolejnych nukleosomów jest dalej zwijane w bardziej zwartą strukturę.

Chociaż nie jesteśmy pewni, jaką strukturę faktycznie przyjmuje, wiemy, że osiąga grubość około 30 nm. Jest to tak zwane włókno 30 nm; Histone H1 jest niezbędny do jego tworzenia i stabilności.

Włókno 30 nm jest podstawową jednostką strukturalną heterochromatyny. Ten z luźnych nukleosomów, ten z euchromatyny.

Remisy i zwroty

Światłowód 30 nm nie jest jednak całkowicie liniowy. Wręcz przeciwnie, tworzy pętle o długości około 300 nm, meandrując, na mało znanej macierzy białkowej.

Te pętle na matrycy białkowej tworzą bardziej zwarte włókno chromatynowe o średnicy 250 nm. Ostatecznie układają się one w pojedynczą helisę o grubości 700 nm, dając początek jednej z siostrzanych chromatyd chromosomu mitotycznego.

Ostatecznie DNA w chromatynie jądrowej zagęszcza się około 10 000 razy na chromosomie dzielącej się komórki. W jądrze międzyfazowym jego zagęszczenie jest również wysokie, ponieważ jest około 1000 razy w porównaniu z „liniowym” DNA.

Mejotyczne zagęszczenie DNA

W świecie biologii rozwoju mówi się, że gametogeneza resetuje epigenom. Oznacza to, że usuwa z DNA ślady życia osoby, która dała początek gamecie wyprodukowanej lub której doświadczyła.

Znaczniki te obejmują metylację DNA i kowalencyjne modyfikacje histonów (kod histonów). Ale nie cały epigenom jest resetowany. To, co pozostanie ze znakami, będzie odpowiedzialne za odcisk genetyczny ojca lub matki.

Ukryty reset do gametogenezy jest łatwiejszy do zobaczenia w nasieniu. W nasieniu DNA nie jest wypełnione histonami. Dlatego informacje związane z jego modyfikacjami w organizmie produkującym na ogół nie są dziedziczone.

W nasieniu DNA jest upakowane dzięki interakcji z nieswoistymi białkami wiążącymi DNA zwanymi protaminami. Białka te tworzą ze sobą wiązania dwusiarczkowe, pomagając w ten sposób tworzyć nakładające się warstwy DNA, które nie odpychają się elektrostatycznie.

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition). WW Norton & Company, Nowy Jork, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) DNA Packaging: Nucleosomes and chromin. Edukacja przyrodnicza 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetyka: analiza i zasady. McGraw-Hill Higher Education, Nowy Jork, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Mapa strukturalna i funkcjonalna bakteryjnego nukleoidu. Genome Biology, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Remeasuring the double helix. Science, 17: 446–449.
6. Travers, AA (2004) Strukturalne podstawy elastyczności DNA. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNA structure and function. FEBS Journal, 282: 2279-2295.