KAJ JE EMBALAŽA DNK? - BIOLOGIJA - 2026

Pakiranje DNA je izraz, ki opredeljuje nadzorovano kompaktiranje DNA v celico. V nobeni celici (in resda niti v virusih) ni DNK, ohlapnih in v resnični raztopini.

DNK je izredno dolga molekula, ki je tudi vedno v interakciji z ogromno različnih proteinov. Za obdelavo, dedovanje in nadzor izražanja genov, ki jih nosi, DNK sprejme določeno prostorsko organizacijo. To doseže celica s strogim nadzorom vsakega koraka embalaže DNK na različnih ravneh zbijanja.

Kromatin: od sproščenega (levo) do kondenziranega (desno). Vzeto z commons.wikimedia.org

Virusi imajo različne nukleinske kisline. Eden izmed priljubljenih je tisti, ki tvori kompaktne spirale. Lahko bi rekli, da so virusi nukleinske kisline, pakirane v samih beljakovinah, ki jih pokrivajo, ščitijo in mobilizirajo.

V prokariotih je DNK povezan z beljakovinami, ki določajo tvorbo zapletenih zank v strukturi, imenovani nukleoid. Največja stopnja zbijanja DNK v evkariontski celici je na drugi strani mitotični ali mejotski kromosom.

Edini primer, v katerem B-DNA ni pakiran, je raziskovalni laboratorij, ki sledi temu namenu.

Struktura DNK

DNK sestavljata dva protiparalna pasova, ki tvorita dvojno vijačnico. Vsak od njih ima okostje vezi fosfodiester, na katerega so pritrjeni sladkorji, vezani na dušikove baze.

Znotraj molekule dušikove baze enega pasu tvorijo vodikove vezi (dve ali tri) s komplementarnim pasom.

V takšni molekuli ima večina pomembnih kotov vezi prosto vrtenje. Vez dušikovega sladkorja, sladkorno-fosfatne skupine in fosfodiester so prožne.

To omogoča DNK, ki ga vidimo kot prožno palico, da pokaže neko sposobnost upogibanja in zvijanja. Ta prilagodljivost omogoča DNK, da sprejme zapletene lokalne strukture in oblikuje interakcijske zanke na kratkih, srednjih in dolgih razdaljah.

Ta prilagodljivost pojasnjuje tudi, kako lahko v vsaki diploidni celici človeka vzdržujemo 2 metra DNK. V gameti (haploidni celici) bi bil meter DNK.

Bakterijski nukleoid

Čeprav ne gre za neločljivo pravilo, bakterijski kromosom obstaja kot enojna prekomerno dvosklopčna molekula DNK.

Dvojna vijačnica se bolj zvije na sebi (več kot 10 bp na zavoj), kar povzroči nekaj zbijanja. Lokalni vozli nastajajo tudi zaradi manipulacij, ki jih encimsko nadzirajo.

Poleg tega v DNK obstajajo zaporedja, ki omogočajo, da se domene oblikujejo v velikih zankah. Strukturo, ki je posledica prehlajenja, in naročene zanke imenujemo nukleoid.

Te se spremenijo zaradi nekaterih beljakovin, ki stisnjenemu kromosomu zagotavljajo nekaj strukturne stabilnosti. Stopnja zbijanja bakterij in arhej je tako učinkovita, da lahko na nukleoid obstaja več kot en kromosom.

Nukleoid kompaktira prokariotsko DNK vsaj približno 1000-krat. Sama topološka zgradba nukleoida je temeljni del regulacije genov, ki jih kromosom nosi. To pomeni, da struktura in funkcija tvorita isto enoto.

Ravni zbijanja evkariontskega kromosoma

DNK v eukariotskem jedru ni golega. Medsebojno deluje s številnimi beljakovinami, med katerimi so najpomembnejši histoni. Histoni so majhni, pozitivno nabiti proteini, ki se na nespecifičen način vežejo na DNK.

V jedru je tisto, kar opazujemo, zapletena DNK: histoni, ki jim rečemo kromatin. Močno kondenziran kromatin, ki na splošno ni izražen, je heterokromatin. V nasprotju s tem je najmanj stisnjen (ohlapnejši) ali eukromatin kromatin z geni, ki so izraženi.

Kromatin ima različne stopnje zbijanja. Najbolj elementarno je nukleosom; Sledijo elektromagnetna vlakna in interfazne kromatinske zanke. Šele ko se deli kromosom, se pokažejo najvišje vrednosti zbijanja.

Nukleosom

Nukleosom je osnovna enota organizacije kromatina. Vsak nukleosom je sestavljen iz oktamerja histonov, ki tvorijo nekakšen boben.

Oktamer je sestavljen iz dveh kopij vsakega od histonov H2A, H2B, H3 in H4. Okoli njih se DNK giblje približno 1,7-krat. Sledi mu del proste DNK, imenovan 20 bp veznik, povezan s histonom H1, in nato še en nukleosom. Količina DNK v nukleosomu in tista, ki jo veže na drugega, je približno 166 baznih parov.

Ta korak embalaže DNK molekulo stisne približno 7-krat. Se pravi, gremo z enega metra na nekaj več kot 14 cm DNK.

To pakiranje je možno, ker pozitivni histoni prekličejo negativni naboj DNK in posledično elektrostatično samovračanje. Drugi razlog je, da se DNK lahko upogne tako, da lahko prelista oktamer histonov.

30 nm vlaken

Vlakna kroglic v ogrlici, ki jih tvorijo številni zaporedni nukleosomi, je nadalje navita v bolj kompaktno strukturo.

Čeprav nam ni jasno, kakšno strukturo dejansko sprejme, vemo, da dosega debelino približno 30 nm. To je tako imenovano 30 nm vlakno; Histon H1 je ključnega pomena za njegovo tvorbo in stabilnost.

30 nm vlakno je osnovna strukturna enota heterokromatina. Od lahkih nukleozomov, evromatina.

Vezava in preobrat

30 nm vlakna pa niso povsem linearna. Nasprotno, na malo poznani proteinski matrici tvori zanke, dolge približno 300 nm, zmerljivo.

Te zanke na proteinski matrici tvorijo bolj kompaktno kromatinsko vlakno s premerom 250 nm. Končno se poravnajo kot ena sama vijačnica debeline 700 nm, kar povzroči enega od sestrskih kromatid mitotskega kromosoma.

Na koncu se DNK v jedrskem kromatinu stisne približno 10.000 krat na kromosomu delitvene celice. V medfaznem jedru je tudi njegovo zgoščanje veliko, saj je v primerjavi z "linearno" DNK približno 1000-krat.

Mejotsko zbijanje DNK

V svetu razvojne biologije naj bi gamageneza ponastavila epigenome. To pomeni, da briše oznake DNK, ki jih je življenje osebe, ki je ustvarilo gameto, ustvarilo ali doživelo.

Te oznake vključujejo metilacijo DNK in kovalentne modifikacije histonov (Koda za histone). Vendar ni ponastavljen celoten lastni vir. Kar ostane pri znamkah, bo odgovorno za očetovski ali materinski genetski odtis.

V spermi je lažje opaziti implicitno ponastavitev na gametogenezo. V spermi DNK ni napolnjena s histoni. Zato informacije, povezane z njihovimi spremembami, v organizmu proizvajalec na splošno niso podedovane.

V spermi se DNA spakira zahvaljujoč interakciji z nespecifičnimi proteini, ki se vežejo na DNK, imenovani protamin. Ti proteini med seboj tvorijo disulfidne vezi in tako pomagajo pri oblikovanju prekrivajočih se plasti DNK, ki se elektrostatično ne odbijajo.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6. izdaja). WW Norton & Company, New York, NY, ZDA.
2. Annunziato, A. (2008) Pakiranje DNA: Nukleozomi in kromatin. Izobraževanje v naravi 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosoms-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetika: analiza in načela. McGraw-Hill High Education, New York, NY, ZDA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturni in funkcionalni zemljevid bakterijskega nukleoida. Genome Biology, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Urejanje dvojne vijačnice. Znanost, 17: 446–449.
6. Travers, AA (2004) Strukturna podlaga prožnosti DNK. Filozofske transakcije londonskega kraljevskega združenja, serija A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) Struktura in funkcija DNK. Časopis FEBS, 282: 2279-2295.