CHROMATÍN: TYPY, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Chromatín je komplex tvorený DNA a proteíny len v eukaryotických organizmoch. Pokiaľ ide o pomer, obsahuje takmer dvakrát toľko proteínov ako genetický materiál. Najdôležitejšie proteíny v tomto komplexe sú históny - malé, pozitívne nabité proteíny, ktoré sa prostredníctvom elektrostatických interakcií viažu na DNA. Okrem toho má chromatín viac ako tisíc proteínov iných ako históny.

Základnou jednotkou chromatínu je nukleozóm, ktorý pozostáva zo spojenia histónov a DNA. Toto usporiadanie pripomína korálky na náhrdelníku. Po absolvovaní všetkých vyšších úrovní organizácie DNA dôjdeme k chromozómom.

Zdroj: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd

Chromatínová štruktúra úzko súvisí s kontrolou génovej expresie. Existujú dva hlavné typy: euchromatín a heterochromatín.

Pre euchromatín je charakteristický nízky stupeň zhutnenia, čo sa premieta do vysokej úrovne transkripcie. Na rozdiel od toho je heterochromatín transkripčne inaktívny z dôvodu vysokého stupňa zhutnenia.

Štruktúrne existujú určité epigenetické znaky histónov typické pre obidva typy chromatínov. Zatiaľ čo euchromatín je spojený s acetyláciou, heterochromatín je spojený so znížením chemických skupín.

Existujú oblasti heterochromatínu so štruktúrnymi funkciami, ako sú teloméry a centroméry.

Historická perspektíva

Štúdium genetického materiálu a jeho štruktúrna organizácia sa začali v roku 1831, keď výskumník Robert Brown opísal jadro. Jednou z okamžitých otázok k tomuto objavu bolo zistiť biologickú a chemickú povahu tejto štruktúry.

Tieto otázky sa začali objasňovať v rokoch 1870 až 1900 experimentmi Friedricha Mieschera, ktorý predstavil slovo nukleín. Walther Flemming však tento pojem upravuje a používa chromatín na označenie jadrovej látky.

S postupom času človek začína hlbšie poznať genetický materiál a jeho vlastnosti. Až v roku 1908 si taliansky vedec Pasquale Baccarini všimol, že chromatín nie je homogénny a podarilo sa mu vizualizovať malé telá vnútri jadra.

Druhy chromatínov - euchromatín a heterochromatín - pôvodne navrhol Emil Heitz v roku 1928. Na stanovenie tejto klasifikácie sa Heitz spoliehal na použitie škvŕn.

V roku 1974 biológ Roger Kornberg navrhol model organizácie genetického materiálu v štruktúrach známych ako nukleozómy, hypotéza sa potvrdila empiricky experimentmi s Markusom Nollom.

Čo je chromatín?

Zložky chromatínu: DNA a proteíny

Chromatín je nukleoproteín tvorený spojením genetického materiálu - DNA - s heterogénnou skupinou proteínov. Táto asociácia je vysoko dynamická a získava komplexnú trojrozmernú konformáciu, ktorá jej umožňuje vykonávať jej regulačné a štrukturálne funkcie.

Jedným z najdôležitejších proteínov v chromatíne sú históny, ktoré sa nachádzajú takmer v rovnakom pomere ako DNA.

Históny sú základné bielkoviny, pozoruhodne konzervované v priebehu evolučnej histórie organických bytostí - to znamená, že naše históny sa veľmi nelíšia v porovnaní s históriou iných cicavcov, dokonca aj iného zvieraťa vzdialeného fylogeneticky.

Náboj histónov je pozitívny, takže môžu interagovať prostredníctvom elektrostatických síl s negatívnym nábojom fosfátového hlavného reťazca prítomného v DNA. Existuje päť typov histónov, a to: H1, H2A, H2B, H3 a H4.

Existuje tiež veľa proteínov odlišnej povahy, ako sú históny, ktoré sa podieľajú na zhutňovaní DNA.

Zhutnenie DNA: nukleozómy

Základnou jednotkou chromatínu sú nukleozómy - opakujúce sa štruktúry tvorené DNA a histónmi, čo je konformácia nachádzajúca sa v celom genetickom materiáli.

Dvojitá špirála DNA je navinutá do komplexu ôsmich histónov známych ako oktamér histónu. Molekula sa navíja okolo dvoch zákrut, nasledovaná krátkou oblasťou (medzi 20 a 60 pármi báz), ktorá oddeľuje nukleozómy od seba.

Aby sme pochopili túto organizáciu, musíme vziať do úvahy, že molekula DNA je extrémne dlhá (asi 2 metre) a musí sa navinúť riadnym spôsobom, aby sa usadila v jadre (ktorého priemer je 3 až 10 μm). Okrem toho musí byť k dispozícii na replikáciu a prepis.

Tento cieľ sa dosahuje rôznymi hladinami zhutnenia DNA, z ktorých prvý sú uvedené nukleozómy. Tieto pripomínajú korálky na perlovom náhrdelníku. Približne 150 párov báz DNA sa doma navíja „počty“.

V baktériách nie sú žiadne skutočné príbehy. Na rozdiel od toho existuje rad proteínov, ktoré pripomínajú históny, a predpokladá sa, že prispievajú k baleniu bakteriálnej DNA.

Špičková organizácia

Organizácia chromatínu nie je obmedzená na úrovni nukleozómov. Táto asociácia proteínov a DNA je zoskupená do hrubšej štruktúry asi 30 nm - kvôli tejto hrúbke sa nazýva úroveň vlákna „30 nm“.

Chromatín organizovaný v hrúbke 30 nm je organizovaný vo forme slučiek, ktoré siahajú do druhu lešenia proteínovej povahy (nie histónov).

Tento model sa v súčasnosti používa, hoci možno očakávať zložitejšie zhutňovacie mechanizmy. Konečná organizácia sa skladá z chromozómu.

Chyby v organizácii chromatínu

Zhutňovanie a organizácia genetického materiálu je životne dôležitá pre viaceré biologické funkcie. S chybami v chromatínovej štruktúre boli spojené rôzne zdravotné stavy, medzi inými X-spojená alfa-talasémia, Rubinstein-Taybiho syndróm, Coffin-Lowryho syndróm, Rettov syndróm.

Typy chromatínov

V bunke sú dva typy chromatínu, ktoré sa odhalili použitím škvŕn: euchromatín („pravý“ chromatín) a heterochromatín. V prvom prípade je sfarbenie slabo pozorované, zatiaľ čo v druhom je sfarbenie intenzívne.

Táto štrukturálna organizácia DNA je jedinečná pre eukaryotické organizmy a je rozhodujúca pre správanie chromozómov a reguláciu génovej expresie.

Ak vyhodnotíme podiely oboch typov chromatínov v bunke, ktorá je vo fáze, zistíme, že približne 90% chromatínu je euchromatín a zvyšných 10% zodpovedá heterochromatínu. Každý typ podrobne opíšeme nižšie:

I. Heterochromatín

vlastnosti

Hlavný rozdiel, ktorý existuje medzi oboma typmi chromatínu, súvisí so stupňom zhutnenia alebo „zabalenia“ molekuly počas špecifických štádií bunkového delenia.

Aj keď sa zdá, že genetický materiál je na rozhraní náhodne rozptýlený, nie je tomu tak.

V tomto štádiu existuje významná organizácia, kde je v jadre vidieť rozdielne rozdelenie chromozomálneho materiálu.

DNA chromozómov sa nepreplieta s reťazcom DNA iných chromozómov a zostáva v špecifických oblastiach nazývaných chromozomálne územia. Zdá sa, že táto organizácia prispieva k génovej expresii.

Heterochromatín je silne kondenzovaný, čo ho robí neprístupným pre transkripčné zariadenie - preto sa neprepisuje. Tiež je zlý, pokiaľ ide o počet génov, ktoré má.

Typy heterochromatínu

Niektoré oblasti heterochromatínu pretrvávajú v bunkových líniách - to znamená, že sa bude vždy správať ako heterochromatín. Tento typ heterochromatínu je známy ako konštitutívny. Príkladom toho sú kondenzované oblasti chromozómov nazývané centroméry a teloméry.

Na rozdiel od toho existujú časti heterochromatínu, ktoré môžu meniť úroveň zhutnenia v reakcii na zmeny vo vývojových schémach alebo premenných prostredia.

Vďaka novým štúdiám sa tento názor preformuluje a teraz existuje dôkaz, že konštitučný heterochromatín je tiež dynamický a schopný reagovať na podnety.

štruktúra

Jedným z faktorov, ktorý určuje štruktúru chromatínu, sú chemické modifikácie histónov. V prípade chromatínu, ktorý je transkripčne inaktívny, vykazujú hypoacetylované históny.

Zníženie počtu acetylových skupín je spojené s umlčaním génov, pretože nemaskuje pozitívny náboj lyzínov, čo umožňuje silnú elektrostatickú interakciu medzi DNA a histónmi.

Ďalšou epigenetickou značkou je metylácia. Pretože však pridanie metylovej skupiny nemodifikuje náboj proteínu, jeho dôsledok (aktivácia alebo deaktivácia génov) nie je taký zrejmý a bude závisieť od oblasti histónu, kde sa značka nachádza.

Empiricky sa zistilo, že metylácia H3K4me3 a H3K36me3 je spojená s aktiváciou génu a aktiváciou H3K9me3 a H3K27me3.

Vlastnosti

V príklade konštitutívneho heterochromatínu uvádzame centroméru. Táto chromozomálna oblasť má štrukturálnu úlohu a prispieva k pohybu chromozómov počas udalostí delenia mitotických aj meiotických buniek.

II. euchromatin

vlastnosti

Na rozdiel od heterochromatínu je euchromatín menej kompaktná molekula, takže transkripčné zariadenie má ľahký prístup (konkrétne enzým RNA polymeráza) a môže sa aktívne exprimovať prostredníctvom genetických dráh.

štruktúra

Štruktúra nukleozómu transkripčne aktívneho chromatínu je charakterizovaná acetylovanými histónmi. Prítomnosť monometylovaných lyzínov je tiež spojená s aktiváciou génov.

Pridanie acetylovej skupiny k týmto histónovým lyzínovým zvyškom neutralizuje pozitívny náboj uvedenej aminokyseliny. Okamžitým dôsledkom tejto zmeny je zníženie elektrostatických interakcií medzi histónom a DNA, čím sa vytvorí voľnejší chromatín.

Táto štrukturálna modifikácia umožňuje interakcie genetického materiálu s transkripčným mechanizmom, ktorý sa vyznačuje obzvlášť objemnosťou.

Vlastnosti

Euchromatín zahŕňa všetky gény, ktoré sú aktívne a podarí sa im dosiahnuť enzymatickým mechanizmom súvisiacim s transkripciou. Preto sú tieto funkcie také široké ako funkcie príslušných génov.

Referencie

1. Grewal, SI, a Moazed, D. (2003). Heterochromatín a epigenetická kontrola génovej expresie. Science, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B. a Cardoso, MC (2012). Heterochromatín a umiestnenie génov: vnútri, zvonku, z akejkoľvek strany? Chromosoma, 121 (6), 555 - 563.
3. Lewin, B. (2008). Gény IX. Vydavatelia Jones a Bartlett.
4. Tollefsbol, TO (2011). Príručka epigenetiky. Academic Press.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Nové poznatky o regulácii heterochromatínu. Trendy v genetike: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG a Pollock, RE (2016). Prehľad proteínov regulujúcich chromatín v bunkách. Súčasná veda o proteínoch a peptidoch, 17 (5), 401–410.