ČO JE BALENIE DNA? - BIOLÓGIE - 2025

Balenie DNA je termín, ktorý definuje riadené zhutnenia DNA v bunke. V žiadnej bunke (a skutočne ani vo vírusoch) nie je DNA, voľná a je v skutočnom roztoku.

DNA je extrémne dlhá molekula, ktorá tiež vždy interaguje s veľkým množstvom rôznych proteínov. Na spracovanie, dedičnosť a kontrolu expresie génov, ktoré nesie, si DNA osvojí určitú priestorovú organizáciu. To sa dosiahne bunkou prísnou kontrolou každého kroku balenia DNA na rôznych úrovniach zhutnenia.

Chromatín: od uvoľneného (vľavo) po kondenzovaný (vpravo). Prevzaté z webu commons.wikimedia.org

Vírusy majú odlišné stratégie balenia svojich nukleových kyselín. Jednou z najobľúbenejších je tvorba kompaktných špirál. Dalo by sa povedať, že vírusy sú nukleové kyseliny balené v samotných proteínoch, ktoré ich pokrývajú, chránia a mobilizujú.

V prokaryotoch je DNA spojená s proteínmi, ktoré určujú tvorbu komplexných slučiek v štruktúre nazývanej nukleoid. Na druhej strane maximálna úroveň zhutnenia DNA v eukaryotickej bunke je mitotický alebo meiotický chromozóm.

Jediným prípadom, keď B-DNA nie je zabalená, je výskumné laboratórium, ktoré sleduje tento účel.

Štruktúra DNA

DNA je tvorená dvoma antiparalelnými pásmi, ktoré tvoria dvojitú špirálu. Každá z nich má fosfodiesterovú väzbovú kostru, na ktorej sú naviazané cukry spojené s dusíkatými bázami.

V molekule tvoria dusíkaté bázy jedného pásu vodíkové väzby (dve alebo tri) s komplementárnym pásom.

V molekule ako je táto, väčšina dôležitých uhlov väzby vykazuje voľnú rotáciu. Dusíkový bázický cukor, cukor-fosfátová skupina a fosfodiesterové väzby sú flexibilné.

To umožňuje, aby DNA, vnímaná ako flexibilná tyčinka, vykazovala určitú schopnosť sa ohýbať a krútiť. Táto flexibilita umožňuje DNA prijať komplexné miestne štruktúry a vytvárať interakčné slučky na krátke, stredné a dlhé vzdialenosti.

Táto flexibilita tiež vysvetľuje, ako je možné udržiavať 2 metre DNA v každej diploidnej bunke človeka. V gamete (haploidnej bunke) by to bol meter DNA.

Bakteriálny nukleoid

Hoci to nie je nerozbitné pravidlo, bakteriálny chromozóm existuje ako jediná superzávitnica dvojpásmovej molekuly DNA.

Dvojitá špirála sa krúti viac o sebe (viac ako 10 bp na otáčku), a tak vytvára určité zhutnenie. Lokálne uzly sa generujú aj vďaka manipuláciám, ktoré sú enzymaticky kontrolované.

Okrem toho existujú sekvencie v DNA, ktoré umožňujú vytvorenie domén vo veľkých slučkách. Štruktúru, ktorá je výsledkom podchladenia, nazývame nukleoid.

Tieto podstupujú dynamické zmeny vďaka niektorým proteínom, ktoré poskytujú kompaktnej chromozóme určitú štrukturálnu stabilitu. Stupeň zhutnenia v baktériách a archaea je taký účinný, že na jeden nukleoid môže byť viac ako jeden chromozóm.

Nukleoid zhutňuje prokaryotickú DNA najmenej asi 1000 krát. Veľmi topologická štruktúra nukleoidu je základnou súčasťou regulácie génov, ktoré chromozóm nesie. To znamená, že štruktúra a funkcia tvoria tú istú jednotku.

Hladiny zhutnenia eukaryotického chromozómu

DNA v eukaryotickom jadre nie je nahá. Interaguje s mnohými proteínmi, z ktorých najdôležitejšie sú históny. Históny sú malé, pozitívne nabité proteíny, ktoré sa nešpecificky viažu na DNA.

V jadre pozorujeme komplexnú DNA: históny, ktoré nazývame chromatín. Vysoko kondenzovaným chromatínom, ktorý sa všeobecne neexprimuje, je heterochromatín. Naopak najmenej zhutnený (voľnejší) alebo euchromatín je chromatín s génmi, ktoré sú exprimované.

Chromatín má rôzne úrovne zhutnenia. Najzákladnejšie je nukleozóm; Nasleduje solenoidné vlákno a medzifázové chromatínové slučky. Maximálne hladiny zhutnenia sú zobrazené iba v prípade, keď sa chromozóm delí.

Nukleozóm

Nukleozóm je základnou jednotkou organizácie chromatínu. Každý nukleozóm je tvorený oktamérom histónov, ktoré tvoria akýsi bubon.

Oktamér sa skladá z dvoch kópií každého z histónov H2A, H2B, H3 a H4. Okolo nich sa DNA pohybuje okolo 1,7-krát. Nasleduje frakcia voľnej DNA nazývaná 20 bp linker asociovaná s histónom H1 a potom ďalší nukleozóm. Množstvo DNA v nukleozóme a to, čo ju viaže na iný, je asi 166 párov báz.

Tento krok balenia DNA zhutňuje molekulu asi 7-krát. To znamená, že ideme z jedného metra na niečo vyše 14 cm DNA.

Toto balenie je možné, pretože pozitívne históny rušia negatívny náboj DNA a následnú elektrostatickú samovraždu. Ďalším dôvodom je to, že DNA sa môže ohnúť takým spôsobom, že môže prevrátiť oktamér histónov.

30nm vlákno

Vlákno perličiek v náhrdelníku tvorené mnohými po sebe nasledujúcimi nukleozómami sa ďalej navinie do kompaktnejšej štruktúry.

Aj keď nie sme si istí, aká štruktúra v skutočnosti prijíma, vieme, že dosahuje hrúbku asi 30 nm. Toto je takzvané 30 nm vlákno; Histón H1 je nevyhnutný pre svoju tvorbu a stabilitu.

Vlákno 30 nm je základnou štruktúrnou jednotkou heterochromatínu. To laxných nukleozómov, eukromatínu.

Väzby a zákruty

Vlákno 30 nm však nie je úplne lineárne. Naopak, meandrujúcim spôsobom vytvára slučky dlhé asi 300 nm na málo známej proteínovej matrici.

Tieto slučky na proteínovej matrici tvoria kompaktnejšie chromatínové vlákno s priemerom 250 nm. Nakoniec sa zarovnajú ako jediná špirála hrubá 700 nm, čo vedie k vzniku jedného zo sesterských chromatidov mitotického chromozómu.

Nakoniec DNA v jadrovom chromatíne zhutňuje asi 10 000 krát na chromozóme deliacej bunky. V interfázovom jadre je jeho zhutnenie tiež vysoké, pretože je asi 1000-krát väčšie ako v prípade „lineárnej“ DNA.

Meiotické zhutnenie DNA

Vo svete vývojovej biológie sa tvrdí, že gametogenéza resetuje epigenóm. To znamená, že vymaže známky DNA, ktoré vyprodukoval alebo zažil život osoby, ktorá dala vznik gamete.

Tieto značky zahŕňajú metyláciu DNA a kovalentné modifikácie histónov (kód pre históny). Nie je však obnovený celý epigenóm. To, čo zostane so značkami, bude zodpovedné za otcovský alebo materský genetický odtlačok.

Implicitné obnovenie gametogenézy je ľahšie viditeľné u spermií. V spermii nie je DNA plná histónov. Preto informácie spojené s jeho modifikáciami v produkujúcom organizme nie sú spravidla zdedené.

V spermii je DNA balená vďaka interakcii s nešpecifickými proteínmi viažucimi DNA nazývanými protamíny. Tieto proteíny spolu vytvárajú disulfidové väzby, čím pomáhajú vytvárať prekrývajúce sa vrstvy DNA, ktoré sa elektrostaticky neodpudzujú.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6. vydanie). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) DNA Packaging: Nucleosomes and chromatin. Prírodné vzdelávanie 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetika: analýza a princípy. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Štrukturálna a funkčná mapa bakteriálneho nukleoidu. Genome Biology, doi: 10,1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S., Das, R., Harbury, PAB (2008) Prekonanie dvojitej špirály. Science, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) Štrukturálny základ flexibility DNA. Filozofické transakcie Kráľovskej spoločnosti v Londýne, séria A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNA štruktúra a funkcia. FEBS Journal, 282: 2279-2295.