KROMATIN: TYPER, EGENSKAPER, STRUKTUR, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Det kromatin är den som bildas av DNA och proteiner endast i eukaryota organismer komplex. Proportionellt innehåller det nästan dubbelt så många proteiner som genetiskt material. De viktigaste proteinerna i detta komplex är histoner - små, positivt laddade proteiner som binder till DNA genom elektrostatiska interaktioner. Dessutom har kromatin mer än tusen andra proteiner än histoner.

Den grundläggande enheten för kromatin är nukleosomen, som består av sammanslagningen av histoner och DNA. Detta arrangemang påminner om pärlorna på ett halsband. Efter att ha gått igenom alla högre nivåer av DNA-organisation kommer vi att komma fram till kromosomerna.

Källa: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivativt arbete: Gouttegd

Kromatinstruktur är nära besläktad med kontrollen av genuttryck. Det finns två huvudtyper: euchromatin och heterochromatin.

Euchromatin kännetecknas av att ha en låg grad av komprimering, vilket innebär höga nivåer av transkription. Däremot är heterokromatin transkriptionsinaktivt på grund av dess höga grad av kompaktering.

Strukturellt sett finns det vissa epigenetiska märken av histoner som är typiska för båda typerna av kromatiner. Medan euchromatin är associerat med acetylering, är heterokromatin associerat med en minskning av kemiska grupper.

Det finns några regioner av heterokromatin med strukturella funktioner, såsom telomerer och centromerer.

Historiskt perspektiv

Studien av genetiskt material och dess strukturella organisation började 1831 när forskaren Robert Brown beskrev kärnan. En av de omedelbara frågorna till denna upptäckt var att fråga om den biologiska och kemiska naturen hos denna struktur.

Dessa frågor började belysas mellan 1870 och 1900 med experimenten från Friedrich Miescher, som introducerade ordet nuklein. Walther Flemming ändrar dock termen och använder kromatin för att hänvisa till kärnämnet.

Med tiden börjar man ha en djupare kunskap om det genetiska materialet och dess egenskaper. Det var inte förrän 1908 då den italienska forskaren Pasquale Baccarini märkte att kromatinet inte var homogent och lyckades visualisera små kroppar inne i kärnan.

De typer av kromatiner - euchromatin och heterochromatin - föresloges ursprungligen av Emil Heitz 1928. För att fastställa denna klassificering förlitade Heitz sig på användningen av fläckar.

1974 föreslog biologen Roger Kornberg en modell för organisering av genetiskt material i strukturer kända som nukleosomer, en hypotes som bekräftades empiriskt av experimenten från Markus Noll.

Vad är kromatin?

Kromatinkomponenter: DNA och proteiner

Kromatin är ett nukleoprotein som bildas genom sammanslagning av genetiskt material - DNA - med en heterogen uppsättning proteiner. Denna förening är mycket dynamisk och förvärvar en komplex tredimensionell konformation som gör att den kan utföra sina reglerande och strukturella funktioner.

Ett av de viktigaste proteinerna i kromatin är histoner, som finns i nästan samma andel som DNA.

Histoner är basiska proteiner, anmärkningsvärt bevarade under organiska varelsernas evolutionshistoria - det vill säga våra histoner varierar inte mycket jämfört med de hos andra däggdjur, till och med ett annat djur mer avlägsen fylogenetiskt.

Laddningen av histoner är positiv, så att de kan interagera genom elektrostatiska krafter med den negativa laddningen av fosfatskelettet som finns i DNA. Det finns fem typer av histoner, nämligen: H1, H2A, H2B, H3 och H4.

Det finns också ett antal proteiner av en annan natur än histoner som deltar i kompakteringen av DNA.

DNA-komprimering: nukleosomer

Basenheten för kromatin är nukleosomer - repetitiva strukturer bestående av DNA och histoner, en konformation som finns i genetiskt material.

DNA-dubbelhelixen lindas in i ett komplex av åtta histoner som kallas en histonoktamer. Molekylen spolas i ungefär två varv, följt av en kort region (mellan 20 och 60 baspar) som separerar nukleosomerna från varandra.

För att förstå denna organisation måste vi ta hänsyn till att DNA-molekylen är extremt lång (cirka 2 meter) och måste lindas på ett ordnat sätt för att etablera sig i kärnan (vars diameter är 3 till 10 um). Dessutom måste det göras tillgängligt för replikering och transkription.

Detta mål uppnås med olika nivåer av DNA-komprimering, varvid det första är de ovannämnda nukleosomerna. Dessa liknar pärlorna på ett pärlhalsband. Cirka 150 baspar av DNA lindas hemma "räknar".

Det finns inga sanna historier i bakterier. Däremot finns det en serie proteiner som påminner om histoner och dessa antas bidra till förpackningen av bakteriellt DNA.

Topporganisation

Organiseringen av kromatin är inte begränsad på nukleosomnivå. Denna sammanslutning av proteiner och DNA grupperas tillsammans i en tjockare struktur på cirka 30 nm - på grund av denna tjocklek kallas den "30 nm fiber" -nivån.

Kromatinet organiserat i tjocklek 30 nm är organiserat i form av slingor som sträcker sig i ett slags ställning av proteintyp (inte histoner).

Detta är den modell som för närvarande används, även om förekomsten av mer komplexa komprimeringsmekanismer kan förväntas. Den slutliga organisationen består av kromosomen.

Fel i organiseringen av kromatin

Komprimering och organisering av genetiskt material är avgörande för flera biologiska funktioner. Olika medicinska tillstånd har förknippats med fel i kromatinstrukturen, bland dem X-länkad alfa-talassemi, Rubinstein-Taybi-syndrom, Kistan-Lowry-syndrom, Rett-syndrom, bland andra.

Kromatintyper

Det finns två typer av kromatin i cellen, vilket avslöjas genom applicering av fläckar: euchromatin ("sant" kromatin) och heterokromatin. I det första fallet observeras färgningen svagt, medan i det andra är färgningen intensiv.

Denna strukturella organisation av DNA är unik för eukaryota organismer och är avgörande för beteendet hos kromosomer och regleringen av genuttryck.

Om vi ​​utvärderar proportionerna av båda typerna av kromatiner i en cell som är i intervall finner vi att cirka 90% av kromatinet är euchromatin och de återstående 10% motsvarar heterokromatin. Vi kommer att beskriva varje typ i detalj nedan:

I. Heterokromatin

egenskaper

Den största skillnaden som finns mellan båda typerna av kromatin är relaterad till graden av kompaktering eller "packning" av molekylen under specifika steg i celldelning.

Även om det genetiska materialet verkar vara slumpmässigt spridda vid gränssnittet är det inte på detta sätt.

Det finns en betydande organisation i detta skede, där en differentiell uppdelning av det kromosomala materialet kan ses i kärnan.

Kromosomernas DNA sammanflätas inte med DNA-strängen från andra kromosomer och förblir i specifika regioner som kallas kromosomala territorier. Denna organisation verkar bidra till genuttryck.

Heterokromatin är starkt kondenserat, vilket gör det otillgängligt för transkriptionsmaskineriet - så det transkriberas inte. Dessutom är det dåligt med avseende på antalet gener det har.

Typer av heterokromatin

Vissa regioner av heterokromatin är ihållande i hela cellgränserna - det vill säga, det kommer alltid att bete sig som heterokromatin. Denna typ av heterokromatin är känd som konstitutiv. Ett exempel på detta är de kondenserade regionerna i kromosomer som kallas centromerer och telomerer.

Däremot finns det delar av heterokromatin som kan variera kompakteringsnivån som svar på förändringar i utvecklingsmönster eller miljövariabler.

Tack vare nya studier omformuleras denna åsikt och det finns nu bevis för att konstitutivt heterokromatin också är dynamiskt och kan svara på stimuli.

Strukturera

En av de faktorer som bestämmer kromatins struktur är de kemiska modifieringarna av histoner. När det gäller kromatin som är transkriptionsinaktivt, uppvisar de hypoacetylerade histoner.

Minskningen i antalet acetylgrupper är associerad med gendämpning, eftersom den inte maskerar den positiva laddningen av lysiner, vilket möjliggör en stark elektrostatisk interaktion mellan DNA och histoner.

Ett annat epigenetiskt varumärke är metylering. Eftersom tillsatsen av en metylgrupp inte modifierar proteinets laddning är dess konsekvens (aktivering eller deaktivering av gener) inte så uppenbar och kommer att bero på regionen i histonen där märket finns.

Empiriskt har det visat sig att metyleringen av H3K4me3 och H3K36me3 är associerad med genaktivering och den för H3K9me3 och H3K27me3.

Funktioner

I exemplet med konstitutivt heterokromatin nämner vi centromeren. Denna kromosomala region har en strukturell roll och bidrar till förflyttningen av kromosomer under både mitotiska och meiotiska celldelningshändelser.

II. eukromatin

egenskaper

I motsats till heterokromatin är euchromatin en mindre kompakt molekyl, så transkriptionsmaskineriet har enkel åtkomst (specifikt RNA-polymerasenzym) och kan aktivt uttryckas genom genetiska vägar.

Strukturera

Strukturen för en nukleosom i ett transkriptionellt aktivt kromatin kännetecknas av acetylerade histoner. Närvaron av monometylerade lysiner är också associerad med genaktivering.

Tillsatsen av en acetylgrupp till dessa histonlysinrester neutraliserar den positiva laddningen av nämnda aminosyra. Den omedelbara konsekvensen av denna förändring är minskningen av elektrostatiska interaktioner mellan histon och DNA, vilket genererar ett lösare kromatin.

Denna strukturella modifiering tillåter interaktioner mellan det genetiska materialet och den transkriptionella maskinen, som kännetecknas av att vara särskilt skrymmande.

Funktioner

Euchromatin omfattar alla gener som är aktiva och lyckas nås av enzymatiska maskiner relaterade till transkription. Därför är funktionerna lika breda som de inblandade generens funktioner.

referenser

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterokromatin och epigenetisk kontroll av genuttryck. science, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Heterokromatin och genpositionering: inuti, utanför, vilken sida som helst? Kromosom, 121 (6), 555-563.
3. Lewin, B. (2008). Gener IX. Jones och Bartlett förlag.
4. Tollefsbol, TO (2011). Epigenetics handbok. Academic Press.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Nya insikter i regleringen av Heterochromatin. Trender inom genetik: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). En översikt över kromatinreglerande proteiner i celler. Aktuell protein- och peptidvetenskap, 17 (5), 401–410.