VAD ÄR DNA-FÖRPACKNING? - BIOLOGI - 2025

Den förpackning av DNA är en term som definierar den styrda packning av DNA i cellen. I ingen cell (och inte ens i virus) är DNA-fri, lös och i sann lösning.

DNA är en extremt lång molekyl som också alltid interagerar med en enorm mängd olika proteiner. För bearbetning, arv och kontroll av uttrycket av generna det bär, antar DNA en speciell rumslig organisation. Detta åstadkommes av cellen genom att strikt kontrollera varje DNA-förpackningssteg på olika nivåer av komprimering.

Kromatin: från avslappnad (vänster) till kondenserad (höger). Hämtad från commons.wikimedia.org

Virus har olika förpackningsstrategier för sina nukleinsyror. En av favoriterna är bildandet av kompaktspiraler. Man kan säga att virus är nukleinsyror förpackade i själva proteinerna som täcker, skyddar och mobiliserar dem.

I prokaryoter är DNA associerat med proteiner som bestämmer bildandet av komplexa slingor i en struktur som kallas nukleoid. Den maximala nivån av DNA-komprimering i en eukaryot cell är å andra sidan den mitotiska eller meiotiska kromosomen.

Det enda fallet där ett B-DNA inte förpackas är ett forskningslaboratorium som strävar efter det syftet.

DNA-struktur

DNA består av två antiparallella band som bildar en dubbel spiral. Var och en av dem har ett fosfodiesterbindningsskelett på vilket sockerarter kopplade till kvävebaser är fästa.

Inuti molekylen bildar kvävebaserna i ett band vätebindningar (två eller tre) med det komplementära bandet.

I en molekyl som denna visar de flesta viktiga bindningsvinklar fri rotation. Kvävebas-socker, sockerfosfatgrupp och fosfodiesterbindningar är flexibla.

Detta gör att DNA, som ses som en flexibel stav, visar viss förmåga att böjas och vridas. Denna flexibilitet gör det möjligt för DNA att anta komplexa lokala strukturer och bilda interaktionsslingor på korta, medellånga och långa avstånd.

Denna flexibilitet förklarar också hur 2 meter DNA kan bibehållas i varje diploidcell hos en människa. I en gamet (haploid cell) skulle det vara en meter DNA.

Bakterienukleoid

Även om det inte är en obrytbar regel, existerar bakteriekromosomen som en enda superslingad dubbelband-DNA-molekyl.

Den dubbla spiralen vrider mer på sig själv (mer än 10 bp per varv) och ger därmed viss kompaktering. Lokala knutar genereras också tack vare manipulationer som kontrolleras enzymatiskt.

Dessutom finns det sekvenser i DNA som gör att domäner kan bildas i stora slingor. Vi kallar strukturen som härrör från superkylningen och ordnade slingor för en nukleoid.

Dessa genomgår dynamiska förändringar tack vare vissa proteiner som ger viss strukturell stabilitet för den komprimerade kromosomen. Graden av kompaktering i bakterier och archaea är så effektiv att det kan finnas mer än en kromosom per nukleoid.

Nukleoiden komprimerar det prokaryota DNA-värdet minst cirka 1000 gånger. Den mycket topologiska strukturen hos nukleoiden är en grundläggande del av regleringen av generna som kromosomen bär. Det vill säga struktur och funktion utgör samma enhet.

Nivåerna av komprimering av den eukaryota kromosomen

DNA i den eukaryota kärnan är inte naken. Det interagerar med många proteiner, varav de viktigaste är histoner. Histoner är små, positivt laddade proteiner som binder till DNA på ett ospecifikt sätt.

I kärnan ser vi ett komplext DNA: histoner, som vi kallar kromatin. Det starkt kondenserade kromatinet, som i allmänhet inte uttrycks, är heterokromatin. Däremot är det minst komprimerade (lösare) eller euchromatin kromatin med gener som uttrycks.

Chromatin har olika nivåer av komprimering. Det mest elementära är nukleosomen; Det följs av solenoidfiber och kromatin-slingor mellan faserna. Det är först när en kromosom delar sig upp att maximala komprimeringsnivåer visas.

Nukleosomen

Nukleosomen är den grundläggande organisationenheten för kromatin. Varje nukleosom består av en oktamer av histoner som bildar en slags trumma.

Oktoberameran består av två kopior av var och en av histonerna H2A, H2B, H3 och H4. Runt dem går DNA cirka 1,7 gånger. Det följs av en fraktion av gratis DNA som kallas en 20 bp länk associerad med histon H1 och sedan en annan nukleosom. Mängden DNA i en nukleosom och den som binder den till en annan är cirka 166 baspar.

Detta DNA-förpackningssteg komprimerar molekylen cirka sju gånger. Det vill säga vi går från en meter till drygt 14 cm DNA.

Denna förpackning är möjlig eftersom de positiva histonerna avbryter den negativa laddningen av DNA, och den följaktligen elektrostatiska självavstötningen. Det andra skälet är att DNA kan böjas på ett sådant sätt att det kan vända histoner på oktamer.

30nm fiber

Fibern med pärlor i ett halsband bildat av många på varandra följande nukleosomer lindas vidare till en mer kompakt struktur.

Även om vi inte är tydliga med vilken struktur den faktiskt antar vet vi att den når en tjocklek på cirka 30 nm. Detta är den så kallade 30 nm fibern; Histone H1 är avgörande för dess bildning och stabilitet.

30 nm fibern är den grundläggande strukturella enheten för heterokromatin. Det för slappa nukleosomer, det för euchromatin.

Slipsar

30 nm fibern är emellertid inte helt linjär. Tvärtom, det bildar slingor med en längd på cirka 300 nm på ett slingrande sätt på en lite känd proteinmatris.

Dessa slingor på en proteinmatris bildar en mer kompakt kromatinfiber med en diameter på 250 nm. Slutligen anpassas de som en enda helix 700 nm tjock, vilket ger upphov till en av systerkromatiderna i en mitotisk kromosom.

I slutändan komprimeras DNA i kärnkromatin cirka 10 000 gånger på den delande cellens kromosom. I gränssnittet är dess kompaktering också hög eftersom den är ungefär 1000 gånger jämfört med det "linjära" DNA.

Den meiotiska kompakteringen av DNA

I världen av utvecklingsbiologi sägs gametogenes återställa epigenomet. Det vill säga, det raderar DNA-märkena att livet för den person som gav upphov till den producerade eller upplevde könsmakten.

Dessa taggar inkluderar DNA-metylering och kovalenta modifikationer av histoner (kod för histoner). Men inte hela epigenomet återställs. Det som återstår med märken kommer att vara ansvarigt för det faderliga eller moderna genetiska avtrycket.

Den implicita återställningen till gametogenes är lättare att se i spermierna. I spermier är DNA inte packat med histoner. Därför ärver den information som är förknippad med dess modifieringar i den producerande organismen i allmänhet inte.

I spermier förpackas DNA tack vare interaktionen med icke-specifika DNA-bindande proteiner som kallas protaminer. Dessa proteiner bildar disulfidbindningar med varandra, vilket hjälper till att bilda överlappande DNA-lager som inte stöter varandra elektrostatiskt.

referenser

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6: e upplagan). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) DNA-förpackning: Nukleosomer och kromatin. Naturutbildning 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetik: Analys och principer. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturell och funktionell karta över en bakteriell nukleoid. Genombiologi, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Omvärdera den dubbla helixen. Science, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) Den strukturella grunden för DNA-flexibilitet. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, serie A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNA-struktur och funktion. FEBS Journal, 282: 2279-2295.