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

Kromatina je kompleks koji je nastao DNA i proteina je samo u eukariotskim organizmima. U proporciji, sadrži gotovo dvostruko više proteina nego genetski materijal. Najvažniji proteini u ovom kompleksu su histoni - mali, pozitivno nabijeni proteini koji se vežu za DNK elektrostatičkim interakcijama. Uz to, kromatin ima više od tisuću proteina osim histona.

Temeljna jedinica kromatina je nukleosom koji se sastoji od sjedinjenja histona i DNK. Ovaj raspored podsjeća na perle na ogrlici. Nakon prolaska kroz sve više razine organizacije DNA, doći ćemo do kromosoma.

Izvor: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockerivativni rad: Gouttegd

Kromatinska struktura usko je povezana s kontrolom ekspresije gena. Postoje dvije glavne vrste: euhromatin i heterokromatin.

Za euhromatin je karakteristično da ima nizak stupanj zbijenosti, što se prevodi u visoku razinu transkripcije. Suprotno tome, heterokromatin je transkripcijski neaktivan, zbog visokog stupnja sabijanja.

Strukturno postoje određene epigenetske oznake histona karakteristične za obje vrste kromatina. Dok je euhromatin povezan s acetiliranjem, heterokromatin je povezan sa smanjenjem kemijskih skupina.

Postoje neke regije heterokromatina sa strukturnim funkcijama, poput telomera i centromera.

Povijesna perspektiva

Proučavanje genetskog materijala i njegove strukturne organizacije započelo je 1831. godine kada je istraživač Robert Brown opisao jezgru. Jedno od neposrednih pitanja ovom otkriću bilo je ispitivanje biološke i kemijske prirode ove strukture.

Ova su pitanja počela razjašnjavati između 1870. i 1900. eksperimentima Friedricha Mieschera, koji je uveo riječ nuklein. Međutim, Walther Flemming modificira pojam i koristi kromatin za označavanje nuklearne tvari.

S vremenom čovjek počinje dublje poznavati genetski materijal i njegova svojstva. Tek 1908. kada je talijanski istraživač Pasquale Baccarini primijetio da kromatin nije homogen i uspio je vizualizirati mala tijela unutar jezgre.

Vrste kromatina - euhromatin i heterokromatin - prvotno je predložio Emil Heitz 1928. Za uspostavu ove klasifikacije Heitz se oslanjao na upotrebu mrlja.

1974. biolog Roger Kornberg predložio je model organizacije genetskog materijala u strukturama poznatim kao nukleosomi, hipoteza koju su empirijski potvrdili eksperimenti Markusa Noll-a.

Što je kromatin?

Kromatinske komponente: DNA i proteini

Kromatin je nukleoprotein nastao sjedinjenjem genetskog materijala - DNA - s heterogenim skupom proteina. Ovo je udruženje vrlo dinamično i stječe složenu trodimenzionalnu konformaciju koja mu omogućuje obavljanje svojih regulatornih i strukturnih funkcija.

Jedan od najvažnijih proteina u kromatinu su histoni, koji se nalaze u gotovo jednakom omjeru kao i DNA.

Histoni su osnovni bjelančevine, na čuvajući način tokom cijele evolucijske povijesti organskih bića - to jest, naši se histoni ne razlikuju mnogo u usporedbi s onima drugih sisavaca, čak i drugih životinja udaljenijih filogenetskih stajališta.

Naboj histona je pozitivan, tako da oni mogu komunicirati putem elektrostatskih sila s negativnim nabojem fosfatne kralježnice prisutnom u DNK. Postoji pet vrsta histona, i to: H1, H2A, H2B, H3 i H4.

Tu je i niz proteina drugačije prirode od histona koji sudjeluju u sabijanju DNK.

Sabijanje DNK: nukleosomi

Osnovna jedinica kromatina su nukleozomi - ponavljajuće strukture sastavljene od DNA i histona, formacija koja se nalazi u genetskom materijalu.

DNK dvostruka spirala namotana je u kompleks od osam histona poznatih kao histonski oktamer. Molekula se namata u otprilike dva okretaja, nakon čega slijedi kratko područje (između 20 i 60 baznih parova) koje odvaja nukleosome jedan od drugog.

Da bismo razumjeli ovu organizaciju, moramo uzeti u obzir da je molekula DNA izrazito dugačka (oko 2 metra) i da se mora namatati na uredan način da bi se utvrdila u jezgri (čiji je promjer od 3 do 10 um). Nadalje, mora biti dostupan za umnožavanje i kopiranje.

Taj se cilj postiže različitim razinama sabijanja DNA, a prvi su spomenuti nukleosomi. Oni nalikuju perlama na bisernoj ogrlici. Otprilike 150 baznih parova DNA ranjeno je kod kuće "broji".

Nema istinitih priča o bakterijama. Suprotno tome, postoji niz proteina koji podsećaju na histone, a pretpostavlja se da doprinose pakiranju bakterijske DNK.

Vrhunska organizacija

Organizacija kromatina nije ograničena na razini nukleozoma. To udruživanje proteina i DNK grupirano je u deblju strukturu od oko 30 nm - zbog te debljine naziva se "vlakna 30 nm".

Kromatin organiziran u debljini od 30 nm organiziran je u obliku petlji koje se protežu u svojevrsnoj skeli proteinske prirode (a ne histoni).

Ovo je model koji se trenutno koristi iako se mogu očekivati ​​složeniji mehanizmi sabijanja. Konačna organizacija sastoji se od kromosoma.

Pogreške u organizaciji kromatina

Sažimanje i organizacija genetskog materijala je od vitalne važnosti za više bioloških funkcija. Različita medicinska stanja povezana su s pogreškama u strukturi kromatina, među kojima su X-vezana alfa talasemija, Rubinstein-Taybi sindrom, Coffin-Lowryjev sindrom, Rett sindrom, između ostalih.

Kromatinske vrste

U stanici postoje dvije vrste kromatina, otkrivene primjenom mrlja: eukromatin ("pravi" kromatin) i heterokromatin. U prvom slučaju bojenje je slabo opaženo, dok je u drugom bojenje intenzivno.

Ova strukturna organizacija DNA jedinstvena je za eukariotske organizme i presudna je za ponašanje kromosoma i regulaciju ekspresije gena.

Ako procijenimo udjele obje vrste kromatina u stanici koja je u sučelju, utvrdimo da otprilike 90% kromatina čini eukromatin, a preostalih 10% heterokromatinu. U nastavku ćemo detaljno opisati svaku vrstu:

I. Heterokromatin

karakteristike

Glavna razlika koja postoji između obje vrste kromatina je povezana sa stupnjem zbijenosti ili "pakiranja" molekule tijekom specifičnih faza u staničnoj diobi.

Iako se čini da se genetski materijal nasumično raspršuje na sučelju, to nije na ovaj način.

U ovoj fazi postoji značajna organizacija u kojoj se unutar jezgre može vidjeti diferencijalna podjela kromosomskog materijala.

DNK kromosoma ne isprepliće se s lancem DNA drugih kromosoma i ostaje u specifičnim regijama koje se nazivaju kromosomskim teritorijima. Čini se da ova organizacija doprinosi ekspresiji gena.

Heterokromatin se jako kondenzira, što ga čini nedostupnim strojevima za prepisivanje - pa se ne prepisuje. Također, loše je s obzirom na broj gena koje posjeduje.

Vrste heterokromatina

Određene regije heterokromatina su postojane u staničnoj liniji - to jest, uvijek će se ponašati poput heterokromatina. Ova vrsta heterokromatina poznata je kao konstitutivna. Primjer za to su kondenzirane regije kromosoma nazvane centromeri i telomeri.

Suprotno tome, postoje dijelovi heterokromatina koji mogu varirati razinu sabijanja kao odgovor na promjene u razvojnim obrascima ili varijablama okoliša.

Zahvaljujući novim studijama, ovo se stanovište preformulira i sada postoje dokazi da je konstitutivni heterokromatin također dinamičan i sposoban reagirati na podražaje.

Struktura

Jedan od faktora koji određuje strukturu kromatina su kemijske modifikacije histona. U slučaju kromatina koji je transkripcijski neaktivan, pokazuju hipoacetilirane histone.

Smanjenje broja acetilnih skupina povezano je s prigušivanjem gena, jer ne maskira pozitivan naboj lizina, omogućavajući snažnu elektrostatičku interakciju između DNK i histona.

Druga epigenetska marka je metilacija. Međutim, kako dodavanje metilne skupine ne mijenja naboj proteina, njegova posljedica (aktiviranje ili deaktivacija gena) nije tako očita i ovisit će o regiji histona u kojoj se nalazi trag.

Empirijski je utvrđeno da je metilacija H3K4me3 i H3K36me3 povezana s aktivacijom gena i s H3K9me3 i H3K27me3.

Značajke

Na primjeru konstitutivnog heterokromatina spominjemo centromere. Ovo kromosomsko područje ima strukturnu ulogu i doprinosi kretanju kromosoma tijekom događaja mitotičke i mejotske diobe.

II. Euchromatin

karakteristike

Suprotno heterokromatinu, euhromatin je manje kompaktna molekula, tako da strojevi za transkripciju imaju jednostavan pristup (konkretno enzim RNA polimeraze) i mogu se aktivno eksprimirati genetskim putovima.

Struktura

Strukturu nukleosoma transkriptivno aktivnog kromatina karakteriziraju acetilirani histoni. Prisutnost monometiliranih lizina također je povezana s aktivacijom gena.

Dodavanje acetilne skupine na ove ostatke histonskog lizina neutralizira pozitivni naboj navedene aminokiseline. Neposredna posljedica ove promjene je smanjenje elektrostatičke interakcije između histona i DNA, stvarajući labaviji kromatin.

Ova strukturna modifikacija omogućava interakciju genetskog materijala s transkripcijskim strojevima, za koje je karakteristično da su posebno glomazne.

Značajke

Eukromatin obuhvaća sve gene koji su aktivni i do kojih se može doći pomoću enzimskih mehanizama povezanih s transkripcijom. Stoga su funkcije široke koliko i funkcije uključenih gena.

Reference

1. Grewal, SI, i Moazed, D. (2003). Heterokromatin i epigenetska kontrola ekspresije gena. znanost, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Pozicioniranje heterokromatina i gena: iznutra, izvana, na bilo kojoj strani ?. Chromosoma, 121 (6), 555–563.
3. Lewin, B. (2008). Geni IX. Jones i Bartlett Publishers.
4. Tollefsbol, TO (2011). Priručnik za epigenetiku. Akademska štampa.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Nove spoznaje u regulaciji heterokromatina. Trendovi u genetici: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). Pregled proteina koji reguliraju kromatin u stanicama. Aktuelna znanost o proteinima i peptidima, 17 (5), 401–410.