KROMATIN: VRSTE, ZNAČILNOSTI, STRUKTURA, FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

Kromatina je kompleks z DNA in beljakovin tvorjen le v evkariontskih organizmih. Glede na sorazmerje vsebuje skoraj dvakrat več beljakovin kot genskega materiala. Najpomembnejši proteini v tem kompleksu so histoni - majhni, pozitivno nabiti proteini, ki se na elektrostatične interakcije vežejo na DNK. Poleg tega ima kromatin več kot tisoč beljakovin razen histonov.

Temeljna enota kromatina je nukleosom, ki je sestavljen iz združitve histonov in DNK. Ta postavitev spominja na kroglice na ogrlici. Ko bomo prešli skozi vse višje stopnje organizacije DNK, bomo prispeli do kromosomov.

Vir: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivativno delo: Gouttegd

Kromatinska struktura je tesno povezana z nadzorom ekspresije genov. Obstajata dve glavni vrsti: eukromatin in heterokromatin.

Za euhromatin je značilno, da ima nizko stopnjo stiskanja, kar pomeni visoko stopnjo prepisa. V nasprotju s tem je heterokromatin transkripcijsko neaktiven zaradi visoke stopnje zgoščenosti.

Strukturno obstajajo določeni epigenetski znaki histonov, značilni za obe vrsti kromatinov. Medtem ko je evkromatin povezan z acetilacijo, je heterokromatin povezan z zmanjšanjem kemijskih skupin.

Obstaja nekaj regij heterokromatina s strukturnimi funkcijami, kot so telomeri in centromeri.

Zgodovinska perspektiva

Preučevanje genetskega materiala in njegove strukturne organizacije se je začelo leta 1831, ko je raziskovalec Robert Brown opisal jedro. Eno izmed neposrednih vprašanj tega odkritja je bilo preučiti biološko in kemično naravo te strukture.

Ta vprašanja so se začela razjasniti med letoma 1870 in 1900 s poskusi Friedricha Miescherja, ki je uvedel besedo nuklein. Vendar Walther Flemming spremeni izraz in uporablja kromatin za sklicevanje na jedrsko snov.

S časom začnemo človek globlje poznavati gensko snov in njegove lastnosti. Šele leta 1908 je italijanski raziskovalec Pasquale Baccarini opazil, da kromatin ni homogen in mu je uspelo vizualizirati majhna telesa znotraj jedra.

Vrste kromatinov - evhromatin in heterokromatin - je Emil Heitz sprva predlagal leta 1928. Za vzpostavitev te klasifikacije se je Heitz opiral na uporabo madežev.

Leta 1974 je biolog Roger Kornberg predlagal model organizacije genskega materiala v strukturah, imenovanih nukleozomi, hipotezo, ki so jo empirično potrdili s poskusi Markusa Noll-a.

Kaj je kromatin?

Kromatinske komponente: DNK in beljakovine

Kromatin je nukleoprotein, ki ga tvori združitev genskega materiala - DNK - s heterogenim naborom beljakovin. Ta povezava je zelo dinamična in pridobi kompleksno tridimenzionalno obliko, ki ji omogoča izvajanje regulativnih in strukturnih funkcij.

Eden najpomembnejših beljakovin v kromatinu so histoni, ki jih najdemo v skoraj enakem razmerju kot DNK.

Histoni so osnovni beljakovine, ki se izjemno ohranjajo skozi celotno evolucijsko zgodovino organskih bitij - to pomeni, da se naši histoni ne razlikujejo veliko v primerjavi s tistimi iz drugih sesalcev, celo druge živali, bolj oddaljene filogenetsko.

Napolnjenost histonov je pozitivna, zato lahko prek elektrostatičnih sil vplivajo z negativnim nabojem fosfatne hrbtenice, ki je prisoten v DNK. Obstaja pet vrst histonov, in sicer: H1, H2A, H2B, H3 in H4.

Obstaja tudi več beljakovin drugačne narave kot histoni, ki sodelujejo pri zbijanju DNK.

Zbijanje DNK: nukleozomi

Osnovna enota kromatina so nukleozomi - ponavljajoče se strukture, sestavljene iz DNK in histonov, konformacija, ki jo najdemo v genetskem materialu.

Dvojna vijačnica DNA je navita v kompleks osem histonov, znanih kot histonski oktamer. Molekula se navije v približno dveh zavojih, ki ji sledi kratko območje (med 20 in 60 baznih parov), ki ločuje nukleosome drug od drugega.

Da bi razumeli to organizacijo, moramo upoštevati, da je molekula DNK izjemno dolga (približno 2 metra) in jo je treba naviti na urejen način, da se lahko ustali v jedru (katerega premer je 3 do 10 µm). Poleg tega mora biti na voljo za razmnoževanje in prepisovanje.

Ta cilj je dosežen z različnimi stopnjami zbijanja DNK, pri čemer so prvi omenjeni nukleozomi. Te spominjajo na kroglice na biserni verižici. Približno 150 baznih parov DNK je navitih doma "šteje".

Resničnih zgodb o bakterijah ni. V nasprotju s tem obstaja vrsta beljakovin, ki spominjajo na histone in domnevajo, da prispevajo k pakiranju bakterijske DNK.

Vrhunska organizacija

Organizacija kromatina ni omejena na ravni nukleozomov. Ta povezava beljakovin in DNK je združena v debelejši strukturi približno 30 nm - zaradi te debeline se imenuje nivo "30 nm vlakna".

Kromatin, organiziran v debelini 30 nm, je organiziran v obliki zank, ki segajo v nekakšen oder proteinske narave (ne histonov).

To je model, ki se trenutno uporablja, čeprav je mogoče pričakovati bolj zapletene mehanizme za stiskanje. Končno organizacijo sestavlja kromosom.

Napake v organizaciji kromatina

Zbijanje in organizacija genskega materiala je bistvenega pomena za več bioloških funkcij. Z napakami v strukturi kromatina so bila povezana različna zdravstvena stanja, med njimi X-vezana alfa talasemija, sindrom Rubinstein-Taybi, sindrom Coffin-Lowry, sindrom Rett.

Kromatinske vrste

V celici obstajata dve vrsti kromatina, ki se razkrijeta z nanosom madežev: eukromatin ("pravi" kromatin) in heterokromatin. V prvem primeru je obarvanje šibko opaziti, v drugem pa je obarvanje intenzivno.

Ta strukturna organizacija DNK je edinstvena za evkariontske organizme in je ključna za obnašanje kromosomov in regulacijo genske ekspresije.

Če ocenimo deleža obeh vrst kromatinov v celici, ki je v interfazi, ugotovimo, da je približno 90% kromatina evkromatin, preostalih 10% pa heterokromatin. Vsako vrsto bomo podrobno opisali spodaj:

I. Heterokromatin

značilnosti

Glavna razlika med obema vrstama kromatina je povezana s stopnjo stiskanja ali "pakiranja" molekule med določenimi stopnjami delitve celic.

Čeprav se zdi, da je genetski material naključno raztresen na vmesniku, ni na ta način.

Na tej stopnji obstaja pomembna organizacija, kjer se znotraj jedra vidi diferencialna razdelitev kromosomskega materiala.

DNK kromosomov se ne prepleta z nizom DNK drugih kromosomov in ostane v specifičnih regijah, ki jih imenujemo kromosomska ozemlja. Zdi se, da ta organizacija prispeva k izražanju genov.

Heterokromatin je močno kondenziran, zaradi česar je nedosegljiv strojem za prepisovanje - zato se ne prepisuje. Prav tako je slabo glede na število genov, ki jih ima.

Vrste heterokromatina

Nekatere regije heterokromatina so obstojne v celičnih rodovih - torej se bo vedno obnašal kot heterokromatin. Ta vrsta heterokromatina je znana kot konstitutivna. Primer tega so kondenzirana področja kromosomov, imenovana centromeri in telomeri.

Nasprotno pa obstajajo dele heterokromatina, ki lahko spreminjajo stopnjo zbijanja glede na spremembe v razvojnih vzorcih ali spremenljivkah okolja.

Zahvaljujoč novim raziskavam se to stališče preoblikuje in zdaj obstajajo dokazi, da je konstitutivni heterokromatin tudi dinamičen in se lahko odziva na dražljaje.

Struktura

Eden od dejavnikov, ki določa strukturo kromatina, so kemijske modifikacije histonov. V primeru kromatina, ki je transkripcijsko neaktiven, kažejo hipoacetilirane histone.

Zmanjšanje števila acetilnih skupin je povezano z utišanjem genov, saj ne zakriva pozitivnega naboja lizinov, kar omogoča močno elektrostatično interakcijo med DNK in histoni.

Druga epigenetska znamka je metilacija. Ker pa dodajanje metilne skupine ne spreminja naboja beljakovin, njegova posledica (aktiviranje ali deaktivacija genov) ni tako očitna in bo odvisna od območja histona, kjer najdemo znamko.

Empirično je bilo ugotovljeno, da je metilacija H3K4me3 in H3K36me3 povezana z aktivacijo genov in H3K9me3 in H3K27me3.

Lastnosti

V primeru konstitutivnega heterokromatina omenimo centromere. Ta kromosomska regija ima strukturno vlogo in prispeva k gibanju kromosomov med mitotičnimi in mejotskimi delitvami celic.

II. Evkromatin

značilnosti

V nasprotju s heterokromatinom je evkromatin manj kompaktna molekula, zato ima stroji za prepisovanje enostaven dostop (natančneje encim polimeraza RNA) in se lahko aktivno genetsko izrazijo.

Struktura

Za strukturo nukleosoma transkripcijsko aktivnega kromatina so značilni acetilirani histoni. Prisotnost monometiliranih lizinov je povezana tudi z aktivacijo genov.

Dodatek acetilne skupine teh ostankov histonskega lizina nevtralizira pozitiven naboj omenjene aminokisline. Neposredna posledica te spremembe je zmanjšanje elektrostatičnih interakcij med histonom in DNK, kar ustvarja ohlapnejši kromatin.

Ta strukturna sprememba omogoča interakcijo genskega materiala s stroji za prepisovanje, za katero je značilno, da so posebej obsežni.

Lastnosti

Eukromatin zajema vse gene, ki so aktivni in jih dosežejo encimski mehanizmi, povezani s prepisovanjem. Zato so funkcije tako široke kot funkcije vpletenih genov.

Reference

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterokromatin in epigenetska kontrola izražanja genov. znanost, 301 (5634), 798–802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Heterokromatin in pozicioniranje genov: znotraj, zunaj, katera koli stran ?. Chromosoma, 121 (6), 555–563.
3. Lewin, B. (2008). Geni IX. Založbe Jones in Bartlett.
4. Tollefsbol, TO (2011). Priročnik za epigenetiko. Akademski tisk.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Novi vpogledi v regulacijo heterokromatina. Trendi v genetiki: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). Pregled beljakovin, ki uravnavajo kromatin v celicah. Trenutna veda o beljakovinah in peptidih, 17 (5), 401–410.