Kaj je pakiranje DNA? (Pri prokariotih in evkariontih)



The Pakiranje DNA je izraz, ki določa nadzorovano zbijanje DNA znotraj celice. V nobeni celici (in celo v virusih) je DNA prosta, ohlapna in resnična rešitev.

DNA je izredno dolga molekula, ki poleg tega vedno komunicira z veliko različnimi beljakovinami. Za obdelavo, dedovanje in nadzor izražanja genov, ki jih nosi, DNK sprejme določeno prostorsko organizacijo. To dosežemo s celico, ki strogo kontrolira vsak korak pakiranja DNA na različnih nivojih zbijanja.

Virusi imajo različne strategije pakiranja za njihove nukleinske kisline. Eden od priljubljenih je oblikovanje kompaktnih spiral. Lahko bi rekli, da so virusi nukleinske kisline, pakirane v beljakovine, ki jih pokrivajo, jih varujejo in mobilizirajo.

Pri prokariotih je DNK povezana z beljakovinami, ki določajo nastanek kompleksnih zank v strukturi, imenovani nukleid. Najvišja raven kompaktiranja DNA v evkariontski celici je po drugi strani mitotični ali meiotični kromosom.

Edini primer, ko B-DNA ni zapakiran, je raziskovalni laboratorij, ki si prizadeva za ta namen.

Indeks

  • 1 Struktura DNA
  • 2 Bakterijski nukleoid
  • 3 Ravni zbijanja evkariontskega kromosoma
    • 3.1 Nukleosom
    • 3.2 Vlakno dolžine 30 nm
    • 3.3 Vezi in zavoji
  • 4 Meiotično stiskanje DNA
  • 5 Reference

Struktura DNA

DNA tvorijo dve antiparalelni pasovi, ki tvorita dvojno vijačnico. Vsak od njih predstavlja okostje fosfodiesterskih vezi, na katere se vežejo sladkorji, povezani z dušikovimi bazami.

V molekuli dušikove baze ene pasove tvorijo vodikove vezi (dve ali tri) s komplementarnim pasom.

V molekuli, kot je ta, večina pomembnih kotov vezi kaže proste rotacije. Obveznice dušikovega, sladkornega, fosfatnega in fosfodiestrskega so fleksibilne.

To omogoča, da DNK, ki jo vidimo kot prilagodljivo palico, pokaže določeno sposobnost upogibanja in zvijanja. Ta fleksibilnost omogoča, da DNK sprejme kompleksne lokalne strukture in oblikuje vezi med seboj na kratki, srednji in dolgi razdalji.

Ta prilagodljivost tudi pojasnjuje, kako lahko v vsaki diploidni celici človeka ohranimo 2 metra DNA. V gameti (haploidna celica) bi bil to DNA merilnik.

Bakterijski nukleoid

Čeprav ni neprekinljivo pravilo, bakterijski kromosom obstaja kot enojna dvoverižna DNA dvoverižna DNA molekula.

Dvojna vijačnica se bolj obrne na sebe (več kot 10 bp na vrtljaj) in tako proizvede nekaj kompaktiranja. Lokalne vozle prav tako nastajajo zaradi manipulacij, ki so encimsko nadzorovane.

Poleg tega obstajajo zaporedja v DNA, ki omogočajo nastanku domen v velikih zankah. Strukturo, ki izhaja iz supererollamiento, imenujemo nukleoida zank.

Te spremembe so podvržene dinamičnim spremembam, zahvaljujoč nekaterim beljakovinam, ki zagotavljajo določeno strukturno stabilnost stisnjenemu kromosomu. Stopnja zbijanja v bakterijah in arheah je tako učinkovita, da lahko na nukleoidu obstaja več kot en kromosom.

Nukleoid stisne prokariontsko DNK vsaj 1000-krat. Zelo topološka struktura nukleida je temeljni del regulacije genov, ki jih nosi kromosom. To pomeni, da sestava in funkcija tvorita isto enoto.

Ravni zbijanja evkariontskega kromosoma

DNA v evkariontskem jedru ni gola. Vzajemno deluje z mnogimi beljakovinami, med katerimi so najpomembnejši histoni. Histoni so majhne, ​​pozitivno nabite beljakovine, ki se na DNK vežejo na nespecifičen način.

V jedru opazujemo kompleks DNA: histoni, ki jih imenujemo kromatin. Kondenzirana kromatina, ki običajno ni izražena, je heterohromatin. Nasprotno pa je najmanj stisnjen (ohlapen) ali euhromatin kromatin z izraženimi geni.

Kromatin ima več ravni zbijanja. Najbolj osnovna je nukleosoma; sledijo solenoidna vlakna in interfazne kromatinske zanke. Šele, ko je kromosom razdeljen, je prikazana maksimalna stopnja zbijanja.

Nukleozom

Nukleosom je osnovna enota kromatinske organizacije. Vsak nukleosom nastane z oktamerjem histonov, ki tvorijo neke vrste boben.

Oktamer tvorijo dve kopiji vsakega izmed histonov H2A, H2B, H3 in H4. Okoli njih DNK daje skoraj 1,7 krogov. Sledi del proste DNA, imenovan linker 20 pb, povezan s histonom H1, in nato še en nukleosom. Količina DNA v nukleosomu in tista, ki jo združuje z drugo, je približno 166 baznih parov.

Ta korak pakiranja kompaktne DNA v molekulo približno 7-krat. To pomeni, da smo šli od metra do nekaj več kot 14 cm DNK.

To pakiranje je možno, ker pozitivni histoni prekinejo negativni naboj DNK in posledično elektrostatični samo-impulz. Drugi razlog je, da se DNA lahko upogne tako, da lahko zavrti histonsko oktamer.

Vlakno 30 nm

Vlakno kroglic v ogrlici, ki tvori več zaporednih nukleosomov, je dodatno zvite v bolj kompaktno strukturo.

Čeprav ne vemo, kakšno strukturo dejansko sprejme, vemo, da doseže debelino okoli 30 nm. To je tako imenovano 30 nm vlakno; histon H1 je bistven za njegovo tvorbo in stabilnost.

30 nm vlakna so osnovna strukturna enota heterohromatina. Tisto za ohlapne nukleosome, za euhromatin.

Kravate in zavoji

30 nm vlakna pa niso povsem linearna. Nasprotno, oblikuje zanke dolžine okoli 300 nm, na serpentinski način, na malo znani proteinski matrici.

Te zanke na proteinski matrici tvorijo bolj kompaktno kromatinsko vlakno premera 250 nm. Končno so poravnane na način preproste vijačnice debeline 700 nm, kar povzroči nastanek ene od sestrskih kromatid v mitotičnem kromosomu..

Na koncu se DNA v jedrskem kromatinu stisne približno 10.000-krat v kromosomu celice. V medfaznem jedru je tudi njegova kompaktnost visoka, saj je v primerjavi z "linearno" DNK približno 1000-krat.

Meiotična kompakcija DNA

V svetu razvojne biologije naj bi gametogeneza ponastavila epigenome. To pomeni, da izbriše oznake DNK, ki jih je ustvarilo ali doživelo življenje začetnika gamete.

Ti markerji vključujejo metilacijo DNA in kovalentne modifikacije histonov (Histonova koda). Toda ni vse epigenome ponastavljeno. Kar ostane z blagovnimi znamkami, bo odgovorno za očetovski ali materinski genetski odtis.

Implicitna ponastavitev na gametogenezo je lažje videti v semenčici. V semenčici DNK ni zapolnjena s histoni. Zato informacije, povezane z njenimi spremembami v organizmu proizvajalca, na splošno niso podedovane.

V semenčici se DNK zapakira zahvaljujoč interakciji z nespecifičnimi DNA vezavnimi proteini, imenovanimi protamini. Te beljakovine tvorijo med seboj disulfidne mostove, s čimer pripomorejo k tvorjenju prekrivnih plasti DNA, ki se elektrostatično ne odbijajo..

Reference

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. izdaja). W. W. Norton & Company, New York, NY, ZDA.
  2. Annunziato, A. (2008) Pakiranje DNA: Nukleozomi in kromatin. Narava Izobrazba 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
  3. Brooker, R. J. (2017). Genetika: analiza in načela. McGraw-Hill visokošolsko izobraževanje, New York, NY, ZDA.
  4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturna in funkcionalna karta bakterijskega nukleida. Biologija genoma, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
  5. Mathew-Fenn, R.S., Das, R., Harbury, P.A. B. (2008) Prenova dvojne vijačnice. Science, 17: 446-449.
  6. Travers, A. A. (2004) Strukturna osnova fleksibilnosti DNA. Filozofske transakcije Kraljeve družbe v Londonu, Series A, 362: 1423-1438.
  7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) Struktura in funkcija DNK. FEBS Journal, 282: 2279-2295.