Co je chromatin? Chromatinové funkce

Genetický materiál eukaryotických organismů má velmi složitou organizaci. Molekuly DNA, umístěné v jádře buněk, jsou součástí speciální vícesložkové látky - chromatinu.

Definice konceptu

Chromatin je materiál buněčného jádra obsahujícího dědičné informace, což je komplexní funkční DNA komplex se strukturálními proteiny a dalšími prvky, které zajišťují balení, skladování a realizaci karyotického genomu. Ve zjednodušené interpretaci je to látka, která tvoří chromozomy. Termín pochází z řeckého "chromu" - barvy, barvy.

Koncept byl představen Flemingem již v roce 1880, ale stále existují diskuse o tom, co je chromatin z hlediska jeho biochemické kompozice. Nejistota se týká malé části složek, které se netýkají strukturace genetických molekul (některé enzymy a ribonukleové kyseliny).

V elektronické fotografii interfázového jádra je chromatin vizualizován jako četné záplaty temné hmoty, které mohou být malé a rozptýlené nebo kombinovány do velkých hustých klastrů.

Chromatinová kondenzace během buněčného dělení vede k tvorbě chromozomů, které jsou viditelné i v konvenčním světelném mikroskopu.

Strukturní a funkční složky chromatinu

Abychom zjistili, jaký je chromatin na biochemické úrovni, vědci extrahovali tuto látku z buněk, přenesli ji do roztoku a zkoumali složení a strukturu složek v této formě. Byly použity chemické i fyzikální metody včetně technologií elektronové mikroskopie. Ukázalo se, že chemické složení chromatinu o 40% představuje dlouhé molekuly DNA a téměř 60% různých proteinů. Ty jsou rozděleny do dvou skupin: histonů a nehistonů.

Histony jsou velká skupina jádrových nukleárních proteinů, které se silně váží na DNA a vytvářejí strukturní skelet chromatinu. Jejich počet je přibližně stejný jako procento genetických molekul.

Zbytek (až 20%) bílkovinných frakcí spadá na DNA-vazebné a prostorově modifikované proteiny, stejně jako na enzymy zapojené do procesu čtení a kopírování genetické informace.

Vedle hlavních prvků se ve složení chromatinových ribonukleových kyselin (RNA) nacházejí glykoproteiny, sacharidy a lipidy v malém množství, ale otázka jejich spojení s obalovým komplexem DNA je stále otevřená.

Histony a nukleozomy

Molekulová hmotnost histonů se pohybuje od 11 do 21 kDa. Velké množství bazických aminokyselinových zbytků lysinu a argininu poskytuje těmto proteinům pozitivní náboj, což přispívá k tvorbě iontových vazeb s opačně nabitými fosfátovými skupinami dvojité šroubovice DNA.

Existují 5 typy histonů: H2A, H2B, H3, H4 a H1. První čtyři typy se podílejí na tvorbě hlavní strukturní jednotky chromatinu - nukleosomu, který se skládá z jádra (proteinového jádra) a DNA obalené kolem něj.

Nukleozomové jádro je reprezentováno osmi-molekulovým oktamerickým komplexem histonů, který zahrnuje tetramer H3-H4 a dimer H2A-H2B. Oblast DNA o délce přibližně 146 nukleotidových párů se na povrchu proteinových částic navíjí a tvoří se 1,75 cívky a přechází do linkerové sekvence (přibližně 60 bp), která spojuje nukleozomy navzájem. H1 molekula se váže na linker DNA, chrání ji před působením nukleáz.

Histony mohou podstoupit různé modifikace, jako je acetylace, methylace, fosforylace, ADP-ribosylace a interakce s ubiquitinovým proteinem. Tyto procesy ovlivňují prostorovou konfiguraci a hustotu obalů DNA.

Nehistonové proteiny

Existuje několik stovek druhů proteinů, které nejsou histonové, s různými vlastnostmi a funkcemi. Jejich molekulová hmotnost se pohybuje od 5 do 200 kDa. Zvláštní skupina se skládá z místně specifických proteinů, z nichž každá je komplementární ke specifické oblasti DNA. Tato skupina zahrnuje 2 rodiny:

• "zinkové prsty" - rozpoznávají fragmenty 5 párů nukleotidů;
• homodimery jsou charakterizovány strukturou helix-turn-helix v fragmentu spojeném s DNA.
  

Nejlépe studované jsou tzv. Proteiny s vysokou mobilitou (proteiny HGM), které jsou trvale spojeny s chromatinem. Tento název rodiny dostal kvůli vysoké rychlosti pohybu proteinových molekul v elektroforetickém gelu. Tato skupina zaujímá většinu nehistonové frakce a zahrnuje čtyři hlavní typy proteinů HGM: HGM-1, HGM-14, HGM-17 a HMO-2. Plní strukturální a regulační funkce.

Nehistonové proteiny také zahrnují enzymy, které poskytují transkripci (syntézu messengerové RNA), replikaci (zdvojení DNA) a opravu (opravu poškození v genetické molekule).

Úrovně zhutňování DNA

Zvláštnost chromatinové struktury je taková, že umožňuje vláken DNA s celkovou délkou větší než jeden metr, aby se vešly do jádra o průměru asi 10 mikrometrů. To je možné díky vícestupňovému obalovému systému genetických molekul. Obecné schéma zhutňování zahrnuje pět úrovní:

1. nukleozomální vlákno o průměru 10-11 nm;
2. fibril 25-30 nm;
3. smyčkové domény (300 nm);
4. Vlákno o tloušťce 700 nm;
5. chromozómy (1200 nm).

Tato forma organizace poskytuje snížení délky původní molekuly DNA o 10 tisíckrát.

11 nm vlákno je tvořeno řadou nukleozomů spojených linkerovými oblastmi DNA. Na elektronových mikrografech se podobná struktura podobá kuličkám navíjeným na rybářské lince. Nukleosomální vlákno se skládá do cívky jako solenoid, čímž se vytvoří vlákna o tloušťce 30 nm. Histon H1 se podílí na jeho tvorbě.

Solenoidní vlákna se skládají do smyček (aka domén), které jsou upevněny na podpůrné intranukleární matrici. Každá doména obsahuje 30 až 100 tisíc párů nukleotidů. Tato úroveň zhutnění je charakteristická pro mezifázový chromatin.

Struktura o tloušťce 700 nm je tvořena spirálou vlákna domény a nazývá se chromatid. Na druhé straně tvoří dva chromatidy pátou úroveň organizace DNA - chromozom o průměru 1400 nm, který se objevuje ve fázi mitózy nebo meiózy.

Chromatin a chromozom jsou tedy formy balení genetického materiálu, které závisí na životním cyklu buňky.

Chromozomy

Chromozom se skládají z dvou sesterských chromatid, které jsou totožné, z nichž každá je tvořena jednou molekulou DNA s nadskvrněnou molekulou. Půlky jsou spojeny speciálním vláknitým tělem, nazývaným centromerem. Současně je tato struktura konstrikcí, která odděluje každý chromatid na ramenou.

Na rozdíl od chromatinu, který je konstrukčním materiálem, je chromozom diskrétní funkční jednotka charakterizovaná nejen strukturou a složením, ale také jedinečnou genetickou sadou, stejně jako určitou úlohou při zavádění dědičných a variabilních mechanismů na buněčné úrovni.

Euchromatin a heterochromatin

Chromatin v jádru existuje ve dvou formách: méně spiralizovaný (euchromatin) a kompaktnější (heterochromatin). První forma odpovídá transkripčně aktivním úsekům DNA, a proto není tak pevně strukturována. Heterochromatin je rozdělen na volitelnou (může se pohybovat od aktivní do husté neaktivní formy v závislosti na stadiu životního cyklu buňky a potřebě implementovat určité geny) a konstitutivní (konstantně kondenzované). Během mitotického nebo meiotického dělení je veškerý chromatin neaktivní.

Konstitutivní heterochromatin byl nalezen blízko centromér a v terminálních oblastech chromozomu. Výsledky elektronové mikroskopie ukazují, že takový chromatin si uchovává vysoký stupeň kondenzace nejen ve fázi buněčného dělení, ale také během interfáze.

Biologická role chromatinu

Hlavní funkce chromatinu je hustě zabalena velkým množstvím genetického materiálu. Jednoduché umístění DNA do jádra však nestačí k tomu, aby buňka fungovala. Je nezbytné, aby tyto molekuly správně "pracovaly", tj. Mohly přenášet informace obsažené v nich prostřednictvím systému DNA-RNA-protein. Kromě toho musí buňka distribuovat genetický materiál během rozdělení.

Chromatinové zařízení plně splňuje tyto cíle. Proteinová část obsahuje všechny nezbytné enzymy a zvláštnosti struktury umožňují interakci s určitými částmi DNA. Proto je druhou důležitou funkcí chromatinu zajištění všech procesů spojených s realizací nukleárního genomu.