ŠTO JE DNK PAKIRANJE? - BIOLOGIJA - 2025

Pakiranje DNA je pojam koji označava kontrolirano zbijanje DNA u stanici. Ni u jednoj stanici (i doista, čak ni u virusima) nije DNA slobodna, labava i istinska otopina.

DNK je izuzetno duga molekula koja također uvijek komunicira s ogromnom mnoštvom različitih proteina. Za obradu, nasljeđivanje i kontrolu ekspresije gena koje nosi, DNA prihvaća određenu prostornu organizaciju. Ovo se postiže stanicom strogim nadzorom svakog koraka pakiranja DNA na različitim razinama sabijanja.

Kromatin: od opuštenog (lijevo) do kondenziranog (desno). Preuzeto sa commons.wikimedia.org

Virusi imaju različite strategije pakiranja svojih nukleinskih kiselina. Jedan od favorita je onaj koji stvara kompaktne spirale. Moglo bi se reći da su virusi nukleinske kiseline upakirane u same proteine ​​koji ih pokrivaju, štite i mobiliziraju.

U prokariotima je DNA povezana s proteinima koji određuju stvaranje složenih petlji u strukturi koja se naziva nukleoid. S druge strane, maksimalna razina sabijanja DNA u eukariotskoj ćeliji je mitotički ili mejotički kromosom.

Jedini slučaj u kojem B-DNA nije zapakirana je istraživačka laboratorija koja teži tom cilju.

Struktura DNK

DNK čine dvije antiparalne trake koje tvore dvostruku spiralu. Svaki od njih ima kostur fosfodiesterske veze na koji su pričvršćeni šećeri povezani s dušičnim bazama.

Unutar molekule dušične baze jednog pojasa tvore vodikove veze (dvije ili tri) s komplementarnom vrpcom.

U molekuli poput ove, većina važnih kutova veze pokazuje slobodnu rotaciju. Veze dušičnog bakra, šećera, fosfata i fosfodiester fleksibilne su.

To omogućava DNK, koji se vidi kao fleksibilna šipka, da pokaže neku sposobnost savijanja i uvijanja. Ova fleksibilnost omogućava DNK da usvoji složene lokalne strukture i oblikuje petlje za interakciju na kratkim, srednjim i velikim udaljenostima.

Ova fleksibilnost također objašnjava kako se 2 metra DNK mogu održavati u svakoj diploidnoj stanici čovjeka. U gameti (haploidnoj ćeliji) bio bi metar DNK.

Bakterijski nukleoid

Iako nije neraskidivo pravilo, bakterijski kromosom postoji kao jedna superpokrivena dvolančana molekula DNA.

Dvostruka spirala više se okreće na sebi (više od 10 bp po okretaju), stvarajući tako nešto zbijanja. Lokalni čvorovi također se stvaraju zahvaljujući manipulacijama koje se enzimski kontroliraju.

Osim toga, u DNA postoje sekvence koje omogućuju stvaranje domena u velikim petljama. Strukturu koja nastaje kao rezultat superhlađenja i naručene petlje nazivamo nukleoidom.

Oni se podvrgavaju dinamičkim promjenama zahvaljujući nekim proteinima koji pružaju neku strukturnu stabilnost zbijenom kromosomu. Stupanj zbijenosti u bakterijama i arheama toliko je učinkovit da po nukleoidu može biti više od jednog kromosoma.

Nukleoid sabija prokariotsku DNK najmanje oko 1000 puta. Sama topološka struktura nukleoida temeljni je dio regulacije gena koje kromosom nosi. Odnosno, struktura i funkcija tvore istu jedinicu.

Razine zbijanja eukariotskog kromosoma

DNK u eukariotskom jezgru nije gol. Interakcija je s mnogim proteinima, od kojih su najvažniji histoni. Histoni su mali, pozitivno nabijeni proteini koji se vežu na DNK na nespecifičan način.

U jezgri je ono što promatramo složen DNK: histoni, koje nazivamo kromatinom. Jako kondenzirani kromatin, koji uglavnom nije izražen, je heterokromatin. Suprotno tome, najmanje zbijeni (labaviji), ili eukromatin, je kromatin s genima koji su izraženi.

Kromatin ima različite razine sabijanja. Najosnovnija je ona nukleosoma; Nakon toga slijede solenoidna vlakna i interfazne kromatinske petlje. Tek kada se kromosom podijeli, prikazane su maksimalne vrijednosti zbijanja.

Nukleosom

Nukleosom je osnovna jedinica organizacije kromatina. Svaki nukleosom sastoji se od oktamera histona koji tvore svojevrsni bubanj.

Oktamer se sastoji od dvije kopije svakog od histona H2A, H2B, H3 i H4. Oko njih se DNK kreće oko 1,7 puta. Nakon toga slijedi frakcija slobodne DNK koja se naziva veznik od 20 bp povezan s histonom Hl, a zatim još jednim nukleosomom. Količina DNK u nukleosomu i ona koja ga veže za drugi je oko 166 baznih parova.

Ovaj korak pakiranja DNA zbija molekulu oko 7 puta. Odnosno, prelazimo s jednog metra na nešto više od 14 cm DNK.

Ovo pakiranje je moguće jer pozitivni histoni poništavaju negativni naboj DNK i posljedično elektrostatičko samoprevrtanje. Drugi razlog je taj što se DNK može saviti na takav način da može okrenuti oktamer histona.

30 nm vlakana

Vlakno zrnca u ogrlici sastavljeno od mnogih uzastopnih nukleosoma nadalje je namotano u kompaktniju strukturu.

Iako nam nije jasno koju strukturu zapravo usvaja, znamo da doseže debljinu od oko 30 nm. Ovo je takozvano vlakno od 30 nm; Histon H1 je bitan za njegovo stvaranje i stabilnost.

Vlakna od 30 nm osnovna su strukturna jedinica heterokromatina. Ona laksa nukleozoma, ona euhromatina.

Veže i skreće

Vlakna od 30 nm, međutim, nisu u potpunosti linearna. Suprotno tome, formira petlje duljine oko 300 nm, na meandrirajući način, na malo poznatom proteinskom matriksu.

Ove petlje na proteinskoj matrici formiraju kompaktnije kromatinsko vlakno promjera 250 nm. Konačno, poravnavaju se kao jedinstvena spirala debljine 700 nm, što stvara jedan od sestrinskih kromatida mitotičkog kromosoma.

Konačno, DNK u nuklearnom kromatinu zbija se oko 10 000 puta na kromosomu razdjelne ćelije. U jezgri interfaze njegova je sabijanja također velika jer je oko 1000 puta u usporedbi s "linearnom" DNA.

Mejotsko zbijanje DNK

U svijetu razvojne biologije, kaže se da gametogeneza resetira epigenome. To jest, briše DNK tragove koje je život osobe koja je stvorila gametu proizveo ili doživio.

Te oznake uključuju metilaciju DNA i kovalentne modifikacije histona (Kôd za histone). Ali nije vraćen cijeli izvorni izvor. Ono što ostane kod tragova odgovorno je za genetski otisak majke i majke.

Implicirano vraćanje na gametogenezu lakše se vidi u spermi. U spermi DNK nije nabijena histonima. Stoga se informacije povezane s njegovim modifikacijama u organizmu proizvođenju uglavnom ne nasljeđuju.

U spermi se DNA spakuje zahvaljujući interakciji s nespecifičnim proteinima koji se vežu za DNK, a koji se nazivaju protaminima. Ti proteini međusobno formiraju disulfidne veze, pomažući tako da se formiraju preklapajući slojevi DNK koji se elektrostatički ne odbijaju.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. izdanje). WW Norton & Company, New York, NY, SAD.
2. Annunziato, A. (2008) Pakiranje DNA: Nukleozomi i kromatin. Obrazovanje prirode 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetika: analiza i načela. McGraw-Hill visoko obrazovanje, New York, NY, SAD.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturna i funkcionalna karta bakterijskog nukleoida. Biologija genoma, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Remeasuring double spiral. Znanost, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) Strukturne osnove fleksibilnosti DNA. Filozofske transakcije Londonskog kraljevskog društva, Serija A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNK struktura i funkcija. FEBS časopis, 282: 2279-2295.