Chromatin - Chromatin

Hlavní struktury při zhutňování DNA: DNA , nukleozom , 10 nm kuličky na vlákně strunového chromatinu a chromozom metafáze .

Chromatin je komplex DNA a bílkovin nacházející se v eukaryotických buňkách. Primární funkcí je sbalit dlouhé molekuly DNA do kompaktnějších, hustších struktur. To zabraňuje zamotání vláken a také hraje důležitou roli při posilování DNA během buněčného dělení, což zabraňuje poškození DNA a reguluje genovou expresi a replikaci DNA . Během mitózy a meiózy chromatin usnadňuje správnou segregaci chromozomů v anafázi ; charakteristické tvary chromozomů viditelné v této fázi jsou výsledkem navíjení DNA do vysoce kondenzovaného chromatinu.

Primárními proteinovými složkami chromatinu jsou histony , které se vážou na DNA a fungují jako „kotvy“, kolem kterých jsou vlákna navinuta. Obecně existují tři úrovně organizace chromatinu:

  1. DNA obaluje histonové proteiny a vytváří nukleosomy a takzvané kuličky na řetězcové struktuře ( euchromatin ).
  2. Několik histonů se zabalí do 30 nanometrového vlákna sestávajícího z nukleosomových polí v jejich nejkompaktnější formě ( heterochromatin ).
  3. Supercoiling DNA 30-nm vlákna vyšší úrovně produkuje chromozom metafáze (během mitózy a meiózy).

Mnoho organismů však toto organizační schéma nedodržuje. Například, spermií a ptačích červených krvinek byly těsněji zabalené chromatin než většina eukaryotických buněk, a Trypanozomy prvoci nemají kondenzovat jejich chromatin do viditelných chromozomů vůbec. Prokaryotické buňky mají zcela odlišné struktury pro organizaci své DNA (ekvivalent prokaryotického chromozomu se nazývá genofor a je lokalizován v oblasti nukleoidů ).

Celková struktura chromatinové sítě dále závisí na stádiu buněčného cyklu . Během mezifáze je chromatin strukturálně volný, aby umožnil přístup k RNA a DNA polymerázám, které přepisují a replikují DNA. Místní struktura chromatinu během mezifáze závisí na konkrétních genech přítomných v DNA. Oblasti genů obsahujících DNA, které jsou aktivně transkribovány („zapnuty“), jsou méně těsně zhutněny a jsou úzce spojeny s RNA polymerázami ve struktuře známé jako euchromatin , zatímco oblasti obsahující neaktivní geny („vypnuté“) jsou obecně více kondenzované a spojené s strukturní proteiny v heterochromatinu . Epigenetická modifikace strukturních proteinů v chromatinu pomocí methylace a acetylace také mění místní strukturu chromatinu a tím i genovou expresi. Struktura chromatinových sítí je v současné době špatně pochopena a zůstává aktivní oblastí výzkumu v molekulární biologii .

Dynamická struktura a hierarchie chromatinu

Základní jednotky struktury chromatinu

Chromatin prochází během buněčného cyklu různými strukturálními změnami . Histonové proteiny jsou základními balíčky a aranžéry chromatinu a mohou být modifikovány různými posttranslačními modifikacemi, aby se změnilo balení chromatinu ( modifikace histonu ). Většina modifikací se vyskytuje na histonových ocasech. Důsledky, pokud jde o přístupnost a zhutnění chromatinu, závisí jak na modifikované aminokyselině, tak na typu modifikace. Například acetylace histonu vede k uvolnění a zvýšené dostupnosti chromatinu pro replikaci a transkripci. Lysinová trimethylace může buď vést ke zvýšené transkripční aktivitě (trimethylace histonu H3 lysinu 4) nebo transkripční represi a zhutnění chromatinu (trimethylace histonu H3 lysinu 9 nebo 27). Několik studií naznačilo, že současně mohou nastat různé modifikace. Například bylo navrženo, že bivalentní struktura (s trimethylací jak lysinu 4, tak 27 na histonu H3) je zapojena do raného vývoje savců.

Proteiny polycombových skupin hrají roli v regulaci genů prostřednictvím modulace struktury chromatinu.

Další informace viz Chromatinová varianta , Modifikace histonů v regulaci chromatinu a kontrola RNA polymerázy strukturou chromatinu .

Struktura DNA

Struktury A-, B- a Z-DNA.
Hlavní články: Mechanické vlastnosti DNA a Z-DNA

V přírodě může DNA tvořit tři struktury, A- , B- a Z-DNA . A- a B-DNA jsou velmi podobné a tvoří pravotočivé šroubovice, zatímco Z-DNA je levotočivá šroubovice s klikatou fosfátovou páteří. Předpokládá se, že Z-DNA hraje specifickou roli ve struktuře chromatinu a transkripci kvůli vlastnostem spojení mezi B- a Z-DNA.

Na křižovatce B- a Z-DNA se jeden pár bází vyklopí z normálního spojení. Ty hrají dvojí roli místa rozpoznávání mnoha proteiny a jako záchyt torzního stresu z vazby RNA polymerázy nebo nukleosomu.

Nukleosomy a korálky na provázku

Hlavní články: Nucleosome , Chromatosome , and Histone
Kreslená reprezentace struktury nukleosomů. Z PDB : 1KX5 .

Základním opakujícím se prvkem chromatinu je nukleozom, propojený sekcemi spojovací DNA , mnohem kratší uspořádání než čistá DNA v roztoku.

Kromě jádrových histonů existuje linkerový histon H1 , který kontaktuje výstup/vstup řetězce DNA na nukleosomu. Částice jádra nukleozomu je společně s histonem H1 známá jako chromatozom . Nukleozomy, s přibližně 20 až 60 páry párů linkerové DNA, mohou za nefyziologických podmínek tvořit přibližně 10 nm kuličky na řetězcovém vláknu.

Nukleosomy váží DNA nespecificky, jak to vyžaduje jejich funkce v obecném balení DNA. Existují však velké preference sekvence DNA, které řídí polohování nukleosomů. To je dáno především odlišnými fyzikálními vlastnostmi různých sekvencí DNA: Například adenin (A) a thymin (T) jsou příznivěji stlačovány do vnitřních menších drážek. To znamená, že nukleosomy se mohou přednostně vázat v jedné poloze přibližně každých 10 párů bází (šroubovicová repetice DNA)- kde se DNA otáčí, aby se maximalizoval počet A a T bází, které budou ležet ve vnitřní menší drážce. (Viz struktura nukleové kyseliny .)

30 nanometrové chromatinové vlákno

Dvě navrhované struktury 30 nm chromatinového vlákna.
Vlevo: 1 startovací „solenoidová“ struktura šroubovice.
Vpravo: 2 spusťte strukturu volné šroubovice.
Poznámka: histony jsou v tomto diagramu vynechány - je zobrazena pouze DNA.

S přidáním H1 se struktura kuliček na šňůře zase stočí do spirálové struktury o průměru 30 nm známého jako 30 nm vlákno nebo vlákno. Přesná struktura chromatinového vlákna v buňce není podrobně známa.

Tato úroveň struktury chromatinu je považována za formu heterochromatinu , který obsahuje převážně transkripčně tiché geny. Studie elektronové mikroskopie prokázaly, že 30 nm vlákno je vysoce dynamické, takže se při transverzi RNA polymerázou zapojenou do transkripce rozvíjí do struktury 10 nm kuliček na řetězci.

Čtyři navrhované struktury 30 nm chromatinového vlákna pro délku opakování DNA na nukleosomy v rozmezí od 177 do 207 bp.
Linkerová DNA žlutě a nukleosomální DNA růžově.

Stávající modely běžně uznávají, že nukleosomy leží kolmo na osu vlákna, přičemž histony linkerů jsou uspořádány interně. Stabilní 30 nm vlákno spoléhá na pravidelné umísťování nukleosomů podél DNA. Linkerová DNA je relativně odolná vůči ohýbání a otáčení. To činí délku linkerové DNA kritickou pro stabilitu vlákna, což vyžaduje, aby byly nukleosomy odděleny délkami, které umožňují rotaci a skládání do požadované orientace bez nadměrného namáhání DNA. V tomto pohledu by různé délky linkerové DNA měly produkovat různé topologie skládání chromatinového vlákna. Nedávná teoretická práce, založená na obrazech rekonstituovaných vláken elektronovou mikroskopií, podporuje tento názor.

Prostorová organizace chromatinu v buněčném jádru

Prostorové uspořádání chromatinu v jádru není náhodné - v určitých teritoriích lze nalézt specifické oblasti chromatinu. Území jsou například domény sdružené s laminou (LAD) a topologicky asociované domény (TAD), které jsou navzájem spojeny proteinovými komplexy. V současné době se k popisu skládání chromatinu v jádru používají polymerní modely, jako je model Strings & Binders Switch (SBS) a model Dynamic Loop (DL).

Strukturální organizace závislá na buněčném cyklu

Karyogram lidského muže pomocí barvení Giemsa , ukazující klasickou strukturu chromatinu metafáze .
Kondenzace a rozlišení lidských sesterských chromatidů v časné mitóze
  1. Mezifáze : Struktura chromatinu během mezifáze z mitózy je optimalizován tak, aby jednoduchý přístup transkripčních a opravy DNA faktorů k DNA při zhutňování DNA do jádra . Struktura se liší v závislosti na požadovaném přístupu k DNA. Geny, které vyžadují pravidelný přístup RNA polymerázou, vyžadují volnější strukturu poskytovanou euchromatinem.
  2. Metafáze : Metafázová struktura chromatinu se výrazně liší od mezifáze . Je optimalizován pro fyzickou sílu a ovladatelnost a vytváří klasickou strukturu chromozomů pozorovanou u karyotypů . Struktura kondenzovaného chromatinu je považována za smyčky 30 nm vlákna do centrálního lešení proteinů. Není však dobře charakterizován. Chromozomové lešení hrají důležitou roli pro udržení chromatinu v kompaktních chromozomech. Smyčky 30 nm struktury dále kondenzují s lešením do struktur vyššího řádu. Chromozomů lešení jsou vyrobeny z proteinů, včetně kondenzin , typu IIA topoizomerázy a kinesinu člen rodiny 4 (KIF4). Fyzická síla chromatinu je pro tuto fázi dělení životně důležitá, aby se zabránilo střihovému poškození DNA při oddělení dceřiných chromozomů. Aby se maximalizovala síla, mění se složení chromatinu, jak se přibližuje k centroméře, primárně prostřednictvím alternativních analogů histonu H1. Během mitózy, přestože je většina chromatinu pevně zhutněna, existují malé oblasti, které nejsou tak pevně stlačeny. Tyto oblasti často odpovídají promotorovým oblastem genů, které byly aktivní v daném buněčném typu před tvorbou chromatinu. Nedostatek zhutnění těchto oblastí se nazývá bookmarking , což je epigenetický mechanismus , o kterém se věří, že je důležitý pro přenos do dceřiných buněk, „paměti“, jejíž geny byly aktivní před vstupem do mitózy. Tento mechanismus záložek je potřebný k přenosu této paměti, protože transkripce se během mitózy zastaví .

Chromatin a výbuchy transkripce

Byl zkoumán chromatin a jeho interakce s enzymy a dochází k závěru, že je relevantní a důležitým faktorem genové exprese. Vincent G. Allfrey, profesor na Rockefellerově univerzitě, uvedl, že syntéza RNA souvisí s acetylací histonu. Aminokyselina lysinu připojená ke konci histonů je kladně nabitá. Acetylace těchto ocasů by způsobila, že konce chromatinu budou neutrální, což umožní přístup k DNA.

Když chromatin degraduje, DNA je otevřena vstupu molekulárního aparátu. Kolísání mezi otevřeným a uzavřeným chromatinem může přispívat k diskontinuitě transkripce nebo transkripčnímu prasknutí . Další faktory jsou pravděpodobně zahrnuty, jako je asociace a disociace komplexů transkripčních faktorů s chromatinem. Tento jev, na rozdíl od jednoduchých pravděpodobnostních modelů transkripce, může vysvětlovat vysokou variabilitu genové exprese, ke které dochází mezi buňkami v izogenních populacích.

Alternativní chromatinové organizace

Během mnohobuněčných spermiogeneze , na spermatid je chromatin je přestavěn na více od zabalenými, rozšířen, téměř krystal strukturu. Tento proces je spojen se zastavením transkripce a zahrnuje výměnu jaderných proteinů. Histony jsou většinou vytlačeny a nahrazeny protaminy (malé proteiny bohaté na arginin ). Navrhuje se, aby v kvasinkách byly oblasti bez histonů po transkripci velmi křehké; HMO1, protein HMG-box , pomáhá stabilizovat chromatin bez nukleosomů.

Oprava chromatinu a DNA

Balení eukaryotické DNA do chromatinu představuje bariéru pro všechny procesy založené na DNA, které vyžadují nábor enzymů do míst jejich působení. Aby byl umožněn kritický buněčný proces opravy DNA, musí být chromatin předělán. U eukaryot jsou dva převládající faktory používané k dosažení tohoto procesu remodelace komplexy remodelace chromatinu závislé na ATP a enzymy modifikující histon .

K uvolnění chromatinu dochází rychle v místě poškození DNA. Tento proces je iniciován proteinem PARP1, který se začne objevovat při poškození DNA za méně než sekundu, s poloviční maximální akumulací do 1,6 sekundy po poškození. Poté se remodelovač chromatinu Alc1 rychle přichytí k produktu PARP1 a dokončí příjezd k poškození DNA do 10 sekund od poškození. Přibližně polovina maximální relaxace chromatinu, pravděpodobně v důsledku působení Alc1, nastává do 10 sekund. To pak umožňuje nábor DNA opravného enzymu MRE11 , aby se iniciovala oprava DNA, do 13 sekund.

γH2AX, fosforylovaná forma H2AX je také zapojena do raných kroků vedoucích k dekondenzaci chromatinu po výskytu poškození DNA. Histonová varianta H2AX tvoří asi 10% histonů H2A v lidském chromatinu. γH2AX (H2AX fosforylovaný na serinu 139) může být detekován již 20 sekund po ozáření buněk (s tvorbou dvouřetězcového zlomu DNA) a k maximální polovině akumulace γH2AX dojde za jednu minutu. Rozsah chromatinu s fosforylovaným yH2AX je asi dva miliony párů bází v místě přerušení dvouřetězcového DNA. γH2AX sám o sobě nezpůsobuje dekondenzaci chromatinu, ale do 30 sekund po ozáření lze detekovat protein RNF8 ve spojení s yH2AX. RNF8 zprostředkovává rozsáhlou dekondenzaci chromatinu prostřednictvím své následné interakce s CHD4 , složkou remodelace nukleosomů a komplexem deacetylázy NuRD .

Po podstoupení relaxace po poškození DNA, po níž následuje oprava DNA, se chromatin po přibližně 20 minutách obnoví do stavu zhutnění blízkého úrovni před poškozením.

Metody zkoumání chromatinu

  1. K identifikaci stavů chromatinu v celém genomu lze použít ChIP-seq (sekvenování imunoprecipitace chromatinu) zaměřené proti různým histonovým modifikacím . Různé modifikace byly spojeny s různými stavy chromatinu.
  2. DNase-seq (sekvenování hypersenzitivních míst DNase I) využívá citlivost přístupných oblastí v genomu kenzymu DNase I k mapování otevřených nebo přístupných oblastí v genomu.
  3. FAIRE-seq (sekvenování izolace regulačních prvků za asistence formaldehydu) využívá chemické vlastnosti DNA navázané na protein ve dvoufázové separační metodě k extrakci oblastí zbavených nukleosomů z genomu.
  4. ATAC-seq (Assay for Transposable Accessible Chromatin sekvenování) používá transpozázu Tn5 k integraci (syntetických) transpozonů do přístupných oblastí genomu, čímž se následně zvýrazní lokalizace nukleosomů a transkripčních faktorů v celém genomu.
  5. DNA footprinting je metoda zaměřená na identifikaci DNA navázané na protein. Používá značení a fragmentaci spojenou s gelovou elektroforézou k identifikaci oblastí genomu, které byly vázány proteiny.
  6. Sekvence MNase-seq (sekvenování mikrokokových nukleáz ) používá k identifikaci poloh nukleosomů v celém genomu mikrookokový nukleázový enzym.
  7. Zachycení konformace chromozomů určuje prostorovou organizaci chromatinu v jádru odvozením genomických míst, která fyzicky interagují.
  8. MACC profilování ( profilování ACCessibility mikrokokové nukleázy ) využívá titrační řady chromatinových štěpení s mikrokokovou nukleázou k identifikaci přístupnosti chromatinu a také k mapování nukleosomů a nehistonových proteinů vázajících DNA v otevřených i uzavřených oblastech genomu.

Chromatin a uzly

Bylo záhadou, jak dekondenzované mezifázové chromozomy zůstávají v podstatě bez uzlů. Přirozeným očekáváním je, že v přítomnosti topoizomeráz DNA typu II, které umožňují průchod dvouvláknových oblastí DNA navzájem, by všechny chromozomy měly dosáhnout stavu topologické rovnováhy. Topologická rovnováha ve vysoce přeplněných mezifázových chromozomech tvořících chromozomová území by vedla k tvorbě vysoce zauzlených chromatinových vláken. Metody zachycování chromozomů (3C) však odhalily, že rozpad kontaktů s genomovou vzdáleností v mezifázových chromozomech je prakticky stejný jako ve zmačkaném stavu globule, který vzniká, když dlouhé polymery kondenzují bez tvorby jakýchkoli uzlů. K odstranění uzlů z vysoce přeplněného chromatinu by člověk potřeboval aktivní proces, který by měl nejen poskytnout energii k přesunu systému ze stavu topologické rovnováhy, ale také vést pasáže zprostředkované topoizomerázou takovým způsobem, že uzly budou účinně bez uzlů místo aby byly uzly ještě složitější. Ukázalo se, že proces extruze chromatinové smyčky je ideálně vhodný pro aktivní uvolnění uzlových chromatinových vláken v mezifázových chromozomech.

Chromatin: alternativní definice

Termín zavedený Waltherem Flemmingem má více významů:

  1. Jednoduchá a výstižná definice: Chromatin je makromolekulární komplex makromolekuly DNA a proteinových makromolekul (a RNA). Proteiny balí a uspořádávají DNA a řídí její funkce v jádře buňky.
  2. Operační definice biochemiků: Chromatin je komplex DNA/protein/RNA extrahovaný z eukaryotických lyzovaných mezifázových jader. To, která z mnoha látek přítomných v jádru bude tvořit část extrahovaného materiálu, částečně závisí na technice, kterou každý výzkumník používá. Kromě toho se složení a vlastnosti chromatinu liší od jednoho buněčného typu k druhému, během vývoje specifického buněčného typu a v různých fázích buněčného cyklu.
  3. DNA + histon = chromatin Definice: DNA dvojitá šroubovice v buněčném jádře se balí speciální proteiny nazývané histony. Vytvořený komplex protein/DNA se nazývá chromatin. Základní strukturní jednotkou chromatinu je nukleozom.

První definice umožňuje, aby „chromatiny“ byly definovány v jiných oblastech života, jako jsou bakterie a archea, pomocí jakýchkoli proteinů vázajících DNA, které kondenzují molekulu . Tyto proteiny jsou obvykle označovány jako proteiny asociované s nukleoidy (NAP); příklady zahrnují AsnC/LrpC s HU. Kromě toho některé archea produkují nukleosomy z proteinů homologních s eukaryotickými histony.

Nobelovy ceny

Následující vědci byli oceněni za svůj příspěvek k výzkumu chromatinu s Nobelovými cenami :

Rok SZO Cena
1910 Albrecht Kossel (University of Heidelberg) Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu za objev pěti jaderných základen: adenin , cytosin , guanin , tymin a uracil .
1933 Thomas Hunt Morgan (California Institute of Technology) Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu za objevy o roli, kterou hraje gen a chromozom v dědičnosti, na základě studií o mutaci bělohlavého v ovocné mušce Drosophila .
1962 Francis Crick , James Watson a Maurice Wilkins (Laboratoř molekulární biologie MRC, Harvardská univerzita a Londýnská univerzita) Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu za objevy struktury dvojité šroubovice DNA a její význam pro přenos informací v živém materiálu.
1982 Aaron Klug (MRC Laboratory of Molecular Biology) Nobelova cena za chemii „za vývoj krystalografické elektronové mikroskopie a strukturální objasnění biologicky důležitých komplexů nukleové kyseliny a proteinu“
1993 Richard J. Roberts a Phillip A. Sharp Nobelova cena za fyziologii „za jejich nezávislé objevy rozštěpených genů “, ve kterých úseky DNA nazývané exony exprimují proteiny a jsou přerušeny úseky DNA nazývanými introny , které proteiny neexprimují.
2006 Roger Kornberg (Stanford University) Nobelova cena za chemii za objev mechanismu, kterým je DNA přepisována do messengerové RNA.

Viz také

Poznámky

Reference

Další zdroje

externí odkazy