Obsah
- Chromatin obsahuje DNA a bílkoviny
- Histony se skládají ze základních proteinů
- Nukleosomy jsou strukturní jednotky chromatinu
- Nukleosomy ke strukturám vyšších řádů
- Údržba kondenzovaných struktur chromozomů proteiny SMC
- Úroveň organizace v bakteriální DNA
- Závěry
- Rozhovor Otázky a odpovědi
Chromatin obsahuje DNA a bílkoviny
Buněčné dělení nebo buněčný cyklus v eukaryotických buňkách indukuje významné změny v chromozomální struktuře. V eukaryotických buňkách přítomných v G0 fáze (nedělící se fáze) a fáze v počátečních fázích buněčného cyklu, jako je fáze G1, S a G2 (fáze mezifáze), je chromatin (chromozomální materiál) amorfní a náhodně rozptýlený ve specifických částech jádra .
Ve fázi S, replikace DNA dochází k (duplikaci), který je přítomen již v amorfním stavu. Každý chromozom tedy produkuje dvě sesterské chromatidy (nazývané sesterské chromozomy), které zůstávají navzájem spojené i po dokončení replikace.
Chromatin se během profáze mitózy významně kondenzuje a objevuje se u specifického počtu sesterských chromatidů specifických pro daný druh.
Chromatin obsahuje nitkovité struktury obsahující protein a DNA je zhruba ekvivalentní hmotám. V chromatinu je obvykle přítomno malé množství RNA. V chromatinu jsou proteiny pevně vázány s DNA. Tyto proteiny jsou známé jako histony. DNA se lepí na histonové proteiny a vytváří stavební kameny struktury chromatinu známé jako nukleosom.
Podobně se v chromatinu nachází také řada nehistonových proteinů. Histonové proteiny jsou obecně zapojeny do regulace genové exprese spolu s integrálním udržováním chromozomální struktury.
Počínaje nukleosomy je eukaryotická chromozomální DNA zabalena do progrese struktur vyšší úrovně, které nakonec poskytují kompaktní design známý jako chromozom, který lze vidět pomocí mikroskopu s nízkým zvětšením (světelný mikroskop). Tuto snadno viditelnou kompaktní strukturu můžeme snadno porovnat s DNA bakterie.
Histony se skládají ze základních proteinů
- Histony existují v chromatinu téměř každé eukaryotické buňky.
- Histony mají molekulovou hmotnost mezi 11,000 21,000 a XNUMX XNUMX kilodaltony.
- Histony mají velké množství aminokyselin, jako je lysin a arginin (asi 25%), které mají zásaditou povahu.
- Histonové proteiny přítomné v eukaryotických buňkách jsou rozděleny do pěti různých tříd na základě jejich aminokyselinového složení a molekulové hmotnosti. Jedná se zejména o: H1, H2A, H2B, H3 a H4.
Histonové proteiny jako H1, H2A a H2B vykazují nejmenší sekvenční podobnost mezi eukaryoty.
H4 histonové proteiny mají konzervované funkce a pouze 2 ze 102 zbytků aminokyselin se liší mezi aminokyselinovými zbytky H4 histonových proteinů hrachu a krav. Pouze osm aminokyselinových zbytků se liší v aminokyselinových zbytcích kvasinek a lidí. Aminokyselinová sekvence je téměř identická u všech eukaryot.
Každý druh histonu má variace ve strukturách a aminokyselinové sekvenci; je to proto, že postranní řetězce aminokyselin jsou enzymaticky manipulovány glykosylací, fosforylací, ADP-ribosylací a acetylací nebo methylací. Tyto chemické úpravy mohou ovlivnit tvar, čistý elektrický náboj a různé další vlastnosti histonů. Ovlivňují také funkční a strukturní vlastnosti chromatinu a regulují transkripci.
Nukleosomy jsou strukturní jednotky chromatinu
Eukaryotický chromozom je vysoce kompaktní forma molekuly DNA o délce přibližně 105 mikrometry, které se vejdou do jádra o velikosti přibližně 10 mikrometrů. Toto zhutnění zahrnuje různé úrovně událostí průběžného skládání a převíjení.
Ošetření chromozomů pro částečné rozvinutí odhaluje, že jsou pravidelně přítomny některé pevně vázané kuličky proteinových struktur.
Tyto struktury typu „beads on-a-string“ jsou vlastně komplexy histonových proteinů a DNA. Korálek (DNA a histony) a spojovací DNA mezi dvěma kuličkami tvoří nukleosom. Nukleosom je strukturní jednotka chromatinu (chromozomu) vyššího řádu přítomného v buňce.
Každá kulička nukleosomu se skládá z osmi molekul histonu: dva duplikáty každé z H4, H3, H2A a H2B. Jeden nukleosom obsahuje 200 bp DNA, z nichž 146 bp DNA je pevně obaleno kolem histonového jádra.
Naproti tomu zbývající DNA působí jako spojovací DNA mezi dvěma kuličkami nukleosomů a váže se na podjednotku H1 histonového proteinu.
Když je chromatin ošetřen enzymy trávícími DNA, způsobuje selektivní trávení linkerové DNA, což vede k oddělení histonových částic obsahujících 146 bp vázané DNA, která byla chráněna před enzymy trávícími DNA.
Vědci úspěšně vyčistili nukleosom a po rentgenových difrakčních studiích bylo pozorováno, že nukleosom složený z osmi molekul histonu s nějakou obalenou DNA kolem něj, která je přítomna ve formě levotočivé solenoidové supercoily.
Pozdější studie ospravedlňovaly eukaryotickou DNA pod vlivem navzdory přítomnosti proteinů, které jsou pod ní. To ukazuje, že nukleosomy se solenoidním obalem DNA jsou ve skutečnosti jedním typem nadzávitnice, kterou může vlastnit podviněná (negativně nadzávitová) DNA. Pro pevné zabalení DNA na histonové proteiny je třeba eliminovat přibližně jeden obrat v DNA.
Když se nukleosomové jádrové proteiny vážou na kruhovou DNA v uvolněném stavu, indukuje negativní uzavřenou kruhovou DNA v uzavřené kruhové DNA. Vzhledem k tomu, že tento proces vazby nerozbije DNA nebo nezmění spojovací číslo, měl by vývoj záporné solenoidové nadzávitnice mít nějakou pozitivní nadzávitku pro kompenzaci v nevázané oblasti DNA.
Eukaryotické topoisomerázy si mohou poradit s pozitivní supercoilkou uvolněním pozitivní supercoil (nevázané) a ponecháním negativní supercoil fixované (místem, odkud je spojeno s jádrovými proteiny histonu), což má za následek čistý pokles spojovacího čísla . Určitě se ukázalo, že topoizomerázy jsou nezbytné pro asociaci chromatinu získaného z histonů a kruhové DNA in vitro.
Sekvence vazby DNA na proteiny histonu také ovlivňuje sílu vazby a další parametry vazby DNA s histony. Histonové proteiny se neváží náhodně s DNA. Ačkoli tento mechanismus dosud není jasně pochopen, proteiny histonu se raději váží s DNA ze sekvence bohaté na AT (sekvence mající mnoho párů bází AT).
Těsné navázání DNA na centrum histonů nukleosomu vyžaduje malou kompresi rýh v DNA ve vazebných bodech. Měly by také existovat nějaké (2 nebo 3) páry základních AT, aby byl proces komprese proveditelnější.
K přesné poloze DNA na jádře nukleosomálního histonu je rovněž zapotřebí několik dalších proteinů. V několika organizmech několik proteinů interaguje s konkrétní sekvencí DNA a pomáhá vytvářet komplex s jádrem nukleosomálního histonu. Tento proces také moduluje genovou expresi v eukaryotech.
Nukleosomy ke strukturám vyšších řádů
Navíjení DNA kolem histonového jádra nukleosomu zkracuje délku DNA asi na sedmkrát. Zhutnění v chromozomu dosahuje až 10,000 30 násobků, což je podloženo dostatečným důkazem přítomnosti chromozomální organizace vyššího řádu. Některé izolované chromozomy ukazují, že nukleosomy existují ve vysoce organizovaných strukturách známých jako XNUMX nm vlákno.
Takový obal vyžaduje jednu molekulu histonu H1 na nukleosom. Organizace nukleosomů do 30 nm vláken není přítomna v celé sadě chromozomů je rozptýlena oblastmi, kde je DNA vázána na sekvenčně specifické nehistonové proteiny. Struktura 30 nm se navíc objevuje v oblasti, kde probíhá transkripční aktivita.
Oblasti, ve kterých jsou geny pod expresí nebo transkripcí, jsou zjevně v méně uspořádaném stavu obsahujícím velmi malou nebo nízkou H1 histonovou podjednotku. 30 nm vlákno je považováno za druhý stupeň asociace chromatinu, což dává 100krát kompaktnost DNA.
Ačkoli přesný mechanismus vyššího navíjení na vyšší úrovni stále není jasně pochopen, vypadá to, že některé oblasti DNA interagují s jaderným lešením.
Oblast lešení (kde se DNA váže s histonem nukleosomu) vzácná oddělená 20 až 100 kbp dlouhou DNA smyčkou. Tato smyčková DNA může také obsahovat některé příbuzné geny. Například v Drosophile se geny kódující histon seskupují do smyček a váží se na lešení.
Zdá se, že lešení obsahuje několik dalších proteinů, hodně histonu H1 (umístěného ve vnitřní struktuře vlákna) a topoizomerázy II. Přítomnost topoizomerázy II dále poukazuje na vztah mezi strukturou chromatinu a navíjením DNA.
Topoizomeráza II je tak důležitá pro udržení struktury chromatinu, že inhibitory enzymu topoizomerázy II jsou schopné zabíjet dělící se buňky. Tyto inhibitory podporují zlomení vlákna, ale neumožňují topoizomeráze II tyto zlomy uzavřít.
Důkaz existuje pro další vrstvy asociace v eukaryotických chromozomech, přičemž každá vrstva významně zvyšuje úroveň zhutnění.
Struktura chromatinu na vyšší úrovni se pravděpodobně mění z chromozomu na chromozom, v chromozomu a ze stavu na podmínku existence buňky. Ani jeden model však není schopen tyto struktury vysvětlit. Pravidlo je sice jasné: v eukaryotických chromozomech má zhutnění DNA cívky na typu kondenzace cívek.
Slovo „chromozom“ odkazuje na nukleovou kyselinu, která je rezervoárem genetické informace organismu. Podobně se tento termín používá také pro kompaktně zabalené barevné struktury viditelné v jádru obarvené buňky barviva viditelné pod mikroskopem.
Údržba kondenzovaných struktur chromozomů proteiny SMC
Třetí třída proteinů chromatinu, spolu s histony a topoizomerázami, jsou proteiny SMC (strukturní údržba chromozomů). Strukturní konstrukce proteinů SMC obsahuje pět konkrétních domén.
Karboxyl-terminální aminoterminál globulární domény hraje roli v hydrolýze ATP a je spojen s a-šroubovicovými stočenými motivy připojenými k pantové doméně. Jedná se o dimerní protein, který tvoří komplex ve tvaru V, který je také spojen s pantovou doménou.
C a N doména se blíží k dokončení tvorby hydrolytického místa ATP na obou koncích komplexu V. Proteiny uvedené v rodině SMC se obecně nacházejí v mnoha živých organismech, od mikrobů až po savce. Eukaryoty mají obecně dva typy proteinů SMC, jmenovitě kondenziny a koheziny.
Předpokládá se, že cohesiny mají důležitou roli při spojování sesterských chromatidů po replikaci, až kondenzují za vzniku chromozomu v metafázi. Tato interakce je důležitá, protože během dělení buněk se musí chromozomy správně oddělit.
Ačkoli dobře vysvětlené mechanismy, kterými se cohesiny spojují s sesterskými chromozomy, a význam hydrolýzy ATP nejsou jasně pochopeny. Když se buňka připravuje na vstup do mitózy, hraje kondenzace významnou roli v kondenzaci chromozomů.
V podmínkách in vitro kondenzáty interagují s DNA a vytvářejí pozitivní supercoily; omezení kondenzinu způsobí, že se DNA převine, místo toho, aby došlo k navinutí iniciované vazbou nukleosomů. Přesné mechanismy, kterými kondenzát podporuje zhutňování chromatinu, dosud nejsou jasně známy.
Úroveň organizace v bakteriální DNA
Chystáme se diskutovat o podrobná struktura bakteriálních chromozomů. Bakteriální DNA je přítomna ve formě kompaktní struktury známé jako nukleoid. Zaujímá obrovskou část objemu buňky (obrázek). DNA se připojuje k vnitřní membráně plazmatické membrány na několika místech.
Ve srovnání s eukaryotickým chromatinem je o nukleoidu známo méně podrobností. U E. coli se zdá, že struktura podobná lešení uspořádá uzavřený kruhový chromozom do uspořádání smyček, jak je znázorněno výše pro chromatin. Zdá se však, že bakteriální DNA nemá žádnou strukturu podobnou eukaryotickým nukleosomům.
Ačkoli má E. coli několik proteinů podobných eukaryotickým histonům (jsou obvykle dimerní (Mw 19,000 XNUMX KDa), nejsou příliš stabilní a během několika minut se degradují. Proto se nenacházejí ve formě komplexu DNA s histonem. bakteriální chromozom poskytuje přístupnější genetickou informaci; proto je považován za mnohem dynamickou bio-makromolekulu.
Bakterie se dělí binárním štěpením (typ buněčného dělení) a trvá asi 15 minut. Naproti tomu běžná eukaryotická buňka nevstupuje do dělícího cyklu několik hodin nebo dokonce měsíců. Podobně je značná část prokaryotické DNA využívána pro kódování RNA a proteinu.
Zvýšené rychlosti buněčného metabolismu v mikrobech znamenají, že vysoký podíl DNA prochází transkripcí nebo replikací v daném čase ve srovnání s eukaryotickými buňkami.
Závěry
V tomto článku jsme diskutovali o zásadních aspektech balení DNA a strukturách vyššího řádu. Chcete-li lépe porozumět tomuto tématu, projděte si náš článek na Superšroubovice DNA.
Rozhovor Otázky a odpovědi
Q1. Jaké jsou funkce a struktura chromozomu?
Odpověď: Chromozomy mají tvar podobný niti a jsou umístěny uvnitř jádra eukaryotické buňky. Prokaryoty nemají více chromozomů. Místo toho mají obvykle jeden kruhový chromozom známý jako nukleoid. Chromozomy jsou DNA (obvykle jediná molekula DNA) a proteiny (histony a některé nehistonové proteiny). Výlučnou funkcí chromozomů je to, že nesou geny odpovědné za dědičnost genetických vlastností a přenos genetické informace do jiných zdrojů.
Q2. Jak mohou změny ve struktuře chromozomů ovlivnit jednotlivce?
Odpověď: Existuje mnoho faktorů, které jsou zodpovědné za strukturální změny v chromozomech. Tyto změny by mohly přinést rozdíly v genové expresi jedince, které nakonec způsobí změny v expresi bílkovin a také tělesných funkcích.
Q3. Jak je do malých jader vložena velmi dlouhá struktura DNA?
Odpověď: DNA je přítomna v chromozomech má délku centimetrů. To zapadá do jádra, které má poloměry řádově mikrometrů pomocí nukleových kyselin vázajících histonové proteiny. DNA chromozomů je negativně nabitá, která se váže na pozitivně nabité histonové proteiny a vytváří nukleosomy. Jediný nukleosom obklopuje 146 párů bází DNA, čímž se 1.65 otáčí na histonovém jádru.
Q4. Jaké jsou dva typy chromozomů?
Odpověď: Na základě pohlaví jedince jsou chromozomy rozděleny do dvou kategorií
- 1 - Autosomy (odpovědné za fungování těla. Je jich 44, 22 párů)
- 2- Allosomy (pohlavní chromozomy, které jsou odpovědné za fungování sekundárních pohlavních znaků, jsou v počtu 2, jeden pár)
Lidé mají autosomy (22 párů) a allosomy (jeden pár) nebo pohlavní chromozomy.
Q5. Pojmenujte složky eukaryotických chromozomů.
Odpověď: Chromozomy v eukaryotech se skládají hlavně z proteinových složek (histony a nehistony), složek nukleových kyselin (DNA a malé množství RNA) a některých kovových iontů atd.
Q6. Co by se stalo, kdyby člověk měl další chromozom?
Odpověď: Extra chromozomy v buňkách člověka vedou k chromozomálním abnormalitám.
Přítomnost další kopie 21. chromozomu (trizomie) vede k Downovmu syndromu. Klinefelterův syndrom je způsoben extra chromozomem X u jednotlivce, což vede k jeho genotypu 44 + XXY.
Q7. Jaké jsou typy chromozomů na základě polohy centromery?
Odpověď: jsou čtyři typy chromozomů na základě polohy centromery
- Metacentrický
- Submetacentrický
- Acrocentrický
- Telocentrický
Q8. Uveďte dva způsoby klasifikace chromozomů.
Odpověď: Chromozomy jsou klasifikovány na základě několika kritérií:
- Na základě poloha centromery:
- Metacentrický: Centromere je přítomna uprostřed chromozomu
- Submetacentrické: Centroméra je přítomna blízko středu chromozomu
- Acrocentrický: Centromera je přítomna poblíž jednoho konce chromozomu
- Telocentrický: Centroméra je přítomna v terminální poloze chromozomu
- Na základě pohlavní chromozomy:
- Autosomy: Odpovídá za normální funkce těla
- Allosomy: zodpovědný za sekundární sexuální charakteristiky
Q9. Co jsou histony? Jaké jsou jejich důležité funkce?
Odpověď: Histony jsou základní a pozitivně nabité proteiny vázající DNA (protože DNA je negativně nabitá), které pomáhají při navíjení DNA. Histony tvoří jádro, které podporuje obalení DNA. Vazba histonu je tedy odpovědná za regulaci exprese genů.
Q10. Kolik typů histonů je přítomno v eukaryotických buňkách?
Odpověď: V eukaryotických buňkách se nachází pět typů histonových proteinů. Z pěti se čtyři podílejí na tvorbě histonového jádra nukleosomu (H2A, H2B, H3 a H4), zatímco H1 se váže s DNA na povrchu nukleosomu.
Také čtení:
- Replikace DNA vs polymeráza
- Je prokaryotická DNA dvojitá šroubovice
- Transkripční enzym DNA
- Mají prokaryota replikaci DNA
- Antiparalelní vlákna DNA 2
- Schéma transkripce DNA
- Uracil v replikaci DNA
- Sekvence dusíkatých bází v DNA
Jsem Abdullah Arsalan, dokončil jsem doktorát z biotechnologie. Mám 7 let zkušeností s výzkumem. Dosud jsem publikoval 6 článků v časopisech mezinárodní pověsti s průměrným impakt faktorem 4.5 a několik dalších je v úvahu. Prezentoval jsem výzkumné práce na různých národních a mezinárodních konferencích. Mým předmětem zájmu je biotechnologie a biochemie se zvláštním důrazem na proteinovou chemii, enzymologii, imunologii, biofyzikální techniky a molekulární biologii.
