Czym jest opakowanie DNA? (U prokariotów i eukariotów)

The Opakowanie DNA to termin określający kontrolowane zagęszczenie DNA wewnątrz komórki. W żadnej komórce (a nawet nie w wirusach) DNA jest wolne, rozluźnione i jest w prawdziwym rozwiązaniu.

DNA jest niezwykle długą cząsteczką, która dodatkowo oddziałuje z ogromną różnorodnością różnych białek. Do przetwarzania, dziedziczenia i kontroli ekspresji genów, które przenosi, DNA przyjmuje szczególną organizację przestrzenną. Jest to osiągane przez komórkę ściśle kontrolującą każdy etap pakowania DNA na różnych poziomach zagęszczenia.

Wirusy mają różne strategie pakowania dla swoich kwasów nukleinowych. Jednym z ulubionych jest tworzenie zwartych spiral. Można powiedzieć, że wirusy to kwasy nukleinowe pakowane w białka, które je pokrywają, chronią i mobilizują.

U prokariotów DNA wiąże się z białkami, które determinują tworzenie złożonych pętli w strukturze zwanej nukleoidem. Z drugiej strony maksymalnym poziomem zagęszczenia DNA w komórce eukariotycznej jest chromosom mitotyczny lub mejotyczny.

Jedynym przypadkiem, w którym B-DNA nie jest zapakowane, jest laboratorium badawcze, które realizuje ten cel.

Indeks

• 1 Struktura DNA
• 2 Bakteryjny nukleoid
• 3 Poziomy zagęszczenia chromosomu eukariotycznego
  • 3.1 Nukleosom
  • 3.2 Włókno 30 nm
  • 3.3 Krawaty i zakręty
• 4 Zagęszczenie mejotycznego DNA
• 5 referencji

Struktura DNA

DNA jest utworzony przez dwa antyrównoległe pasma, które tworzą podwójną helisę. Każdy z nich przedstawia szkielet wiązań fosfodiestrowych, z którymi wiążą się cukry związane z zasadami azotowymi.

Wewnątrz cząsteczki azotowe zasady jednego pasma tworzą wiązania wodorowe (dwa lub trzy) z pasmem komplementarnym.

W takiej cząsteczce większość ważnych kątów wiązań wykazuje swobodną rotację. Wiązania cukier azotowy, cukier-fosforan i fosfodiester są elastyczne.

Pozwala to DNA, postrzeganemu jako elastyczny pręt, na wykazanie pewnej zdolności do zginania się i zwijania. Ta elastyczność pozwala DNA na przyjmowanie złożonych struktur lokalnych i tworzenie wiązań interakcji na krótkich, średnich i długich dystansach.

Ta elastyczność wyjaśnia również, jak można utrzymać 2 metry DNA w każdej diploidalnej komórce człowieka. W gametie (komórce haploidalnej) byłby to miernik DNA.

Bakteryjny nukleoid

Chociaż nie jest to niezłomna zasada, chromosom bakteryjny istnieje jako pojedyncza dwuniciowa cząsteczka DNA o podwójnej nici.

Podwójna spirala skręca się bardziej (ponad 10 pb na obrót), co powoduje pewne zagęszczenie. Lokalne węzły są również generowane dzięki manipulacjom kontrolowanym enzymatycznie.

Ponadto w DNA występują sekwencje, które umożliwiają tworzenie domen w dużych pętlach. Nazywamy strukturę wynikającą z supererollamiento i uporządkowanych pętli nukleoide.

Te ulegają dynamicznym zmianom dzięki niektórym białkom, które zapewniają pewną stabilność strukturalną zagęszczonemu chromosomowi. Stopień zagęszczenia bakterii i archeonów jest tak skuteczny, że na nukleoid może być więcej niż jeden chromosom.

Nukleoid zagęszcza prokariotyczny DNA co najmniej 1000 razy. Sama topologiczna struktura nukleoidu jest zasadniczą częścią regulacji genów, które niesie chromosom. Oznacza to, że struktura i funkcja stanowią tę samą jednostkę.

Poziomy zagęszczenia chromosomu eukariotycznego

DNA w jądrze eukariotycznym nie jest nagie. Współdziała z wieloma białkami, z których najważniejsze to histony. Histony są małymi, dodatnio naładowanymi białkami, które wiążą się z DNA w niespecyficzny sposób.

W jądrze obserwujemy kompleks DNA: histony, które nazywamy chromatyną. Silnie skondensowana chromatyna, która zwykle nie ulega ekspresji, jest heterochromatyna. Natomiast najmniej zagęszczona (luźniejsza) lub euchromatyna jest chromatyną z ekspresją genów.

Chromatyna ma kilka poziomów zagęszczenia. Najbardziej elementarny jest nukleosom; następnie włókno solenoidowe i interfazowe pętle chromatynowe. Tylko wtedy, gdy chromosom jest podzielony, pokazane są maksymalne poziomy zagęszczenia.

Nukleosom

Nukleosom jest podstawową jednostką organizacji chromatyny. Każdy nukleosom jest utworzony przez oktamer histonów, które tworzą rodzaj bębna.

Oktamer jest tworzony przez dwie kopie każdego z histonów H2A, H2B, H3 i H4. Wokół nich DNA daje prawie 1,7 okrążenia. Po nim następuje ułamek wolnego DNA zwany łącznikiem 20 pb związanym z histonem H1, a następnie inny nukleosom. Ilość DNA w nukleosomie i ta, która łączy go z innym, wynosi około 166 par zasad.

Ten krok upakowania zwartego DNA do cząsteczki około 7 razy. Oznacza to, że przeszliśmy od metra do nieco ponad 14 cm DNA.

To pakowanie jest możliwe, ponieważ dodatnie histony anulują ładunek ujemny DNA, aw konsekwencji elektrostatyczny impuls własny. Innym powodem jest to, że DNA może się wyginać w taki sposób, że może obracać oktamer histonu.

Włókno 30 nm

Włókno perełek w naszyjniku, który tworzy wiele kolejnych nukleosomów, jest dodatkowo zwinięte w bardziej zwartą strukturę.

Chociaż nie wiemy, jaką strukturę naprawdę przyjmuje, wiemy, że osiąga grubość około 30 nm. Jest to tak zwane włókno 30 nm; histon H1 jest niezbędny do jego powstawania i stabilności.

Włókno 30 nm jest podstawową jednostką strukturalną heterochromatyny. Że z luźnych nukleosomów, euchromatyny.

Krawaty i zakręty

Jednakże włókno 30 nm nie jest całkowicie liniowe. Przeciwnie, tworzy pętle o długości około 300 nm, w serpentynowy sposób, na mało znanej macierzy białkowej.

Te pętle na matrycy białkowej tworzą bardziej zwarte włókno chromatyny o średnicy 250 nm. W końcu są one ustawione w linii prostej helisy o grubości 700 nm, dając początek jednej z chromatyd siostrzanych chromosomu mitotycznego.

Ostatecznie DNA w chromatynie jądrowej jest zagęszczane około 10 000 razy w chromosomie dzielącej się komórki. W jądrze międzyfazowym jego zagęszczenie jest również wysokie, ponieważ jest około 1000 razy w porównaniu z „liniowym” DNA.

Zagęszczenie mejotycznego DNA

W świecie biologii rozwojowej mówi się, że gametogeneza resetuje epigenom. To znaczy, wymazuje DNA, które wytworzyło lub doświadczyło życie twórcy gamet.

Markery te obejmują metylację DNA i kowalencyjne modyfikacje histonów (kod histonowy). Ale nie cały epigenom jest resetowany. To, co pozostanie z markami, będzie odpowiedzialne za genetyczny odcisk ojca lub matki.

Ukryty reset do gametogenezy jest łatwiejszy do zaobserwowania w nasieniu. W plemnikach DNA nie jest wypełnione histonami. Dlatego informacje związane z jego modyfikacjami w organizmie producenta zasadniczo nie są dziedziczone.

W spermie DNA jest pakowane dzięki interakcji z niespecyficznymi białkami wiążącymi DNA zwanymi protaminami. Białka te tworzą między sobą mostki disiarczkowe, pomagając w ten sposób tworzyć nakładające się warstwy DNA, które nie odpychają elektrostatycznie.

Referencje

1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (wydanie 6). W. W. Norton & Company, Nowy Jork, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) Pakowanie DNA: Nukleosomy i chromatyna. Edukacja przyrodnicza 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, R. J. (2017). Genetyka: analiza i zasady. McGraw-Hill Higher Education, Nowy Jork, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturalna i funkcjonalna mapa bakteryjnego nukleoidu. Genome Biology, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, P. A. B. (2008) Ponowny pomiar podwójnej helisy. Science, 17: 446-449.
6. Travers, A. A. (2004) Strukturalne podstawy elastyczności DNA. Transakcje filozoficzne Royal Society of London, Seria A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) Struktura i funkcja DNA. FEBS Journal, 282: 2279-2295.