Что такое упаковка ДНК? (У прокариот и эукариот)



Упаковка ДНК это термин, который определяет контролируемое уплотнение ДНК внутри клетки. Ни в одной клетке (и даже не в вирусах) ДНК свободна, слаба и в правильном решении.

ДНК - чрезвычайно длинная молекула, которая, кроме того, всегда взаимодействует с огромным разнообразием различных белков. Для обработки, наследования и контроля экспрессии генов, которые она несет, ДНК принимает определенную пространственную организацию. Это достигается тем, что клетка строго контролирует каждый этап упаковки ДНК на разных уровнях уплотнения.

Вирусы имеют разные стратегии упаковки для своих нуклеиновых кислот. Одним из фаворитов является формирование компактных спиралей. Можно сказать, что вирусы - это нуклеиновые кислоты, упакованные в белки, которые их покрывают, защищают и мобилизуют..

У прокариот ДНК связана с белками, которые определяют образование сложных петель в структуре, называемой нуклеоидом. Максимальным уровнем уплотнения ДНК в эукариотической клетке, с другой стороны, является митотическая или мейотическая хромосома.

Единственный случай, когда B-ДНК не упакована - это исследовательская лаборатория, которая преследует эту цель.

индекс

  • 1 Структура ДНК
  • 2 Бактериальный нуклеоид
  • 3 Уровни уплотнения эукариотической хромосомы
    • 3.1 Нуклеосома
    • 3.2 Волокно 30 нм
    • 3.3 Галстуки и повороты
  • 4 Мейотическое уплотнение ДНК
  • 5 ссылок

Структура ДНК

ДНК образована двумя антипараллельными полосами, которые образуют двойную спираль. Каждый из них представляет собой скелет фосфодиэфирных связей, с которыми связываются сахара, связанные с азотистыми основаниями..

Внутри молекулы азотистые основания одной полосы образуют водородные связи (две или три) с дополнительной полосой.

В такой молекуле большинство важных углов связи показывают свободное вращение. Азотисто-сахарная, сахарофосфатная группа и фосфодиэфирные связи являются гибкими.

Это позволяет ДНК, рассматриваемой как гибкий стержень, демонстрировать некоторую способность изгибаться и сворачиваться. Эта гибкость позволяет ДНК принимать сложные локальные структуры и образовывать взаимодействия на коротких, средних и дальних расстояниях..

Эта гибкость также объясняет, как в каждой диплоидной клетке человека можно поддерживать 2 метра ДНК. В гамете (гаплоидной клетке) это будет метр ДНК.

Бактериальный нуклеоид

Хотя не является неразрушимым правилом, бактериальная хромосома существует в виде одной двухцепочечной молекулы ДНК двухцепочечной ДНК.

Двойная спираль больше крутится сама по себе (более 10 п.н. за оборот), создавая некоторое уплотнение. Местные узлы также генерируются благодаря манипуляциям, которые контролируются ферментами.

Кроме того, в ДНК есть последовательности, которые позволяют доменам образовывать большие петли. Мы называем структуру, полученную в результате суперреролламиента и упорядоченных петель, нуклеоидами..

Они претерпевают динамические изменения благодаря некоторым белкам, которые обеспечивают некоторую структурную стабильность уплотненной хромосоме. Степень уплотнения у бактерий и архей настолько эффективна, что на нуклеоид может приходиться более одной хромосомы.

Нуклеоид уплотняет прокариотическую ДНК не менее 1000 раз. Сама топологическая структура нуклеоида является фундаментальной частью регуляции генов, которые несет хромосома. То есть структура и функция составляют одну и ту же единицу.

Уровни уплотнения эукариотической хромосомы

ДНК в эукариотическом ядре не голая. Он взаимодействует со многими белками, наиболее важными из которых являются гистоны. Гистоны - это небольшие положительно заряженные белки, которые неспецифично связываются с ДНК..

В ядре мы наблюдаем комплекс ДНК: гистоны, которые мы называем хроматином. Высококонденсированный хроматин, который обычно не экспрессируется, представляет собой гетерохроматин. Напротив, наименее компактным (более слабым), или эухроматином, является хроматин с генами, которые экспрессируются.

Хроматин имеет несколько уровней уплотнения. Самым элементарным является нуклеосома; затем следуют соленоидное волокно и межфазные хроматиновые петли. Только когда хромосома разделена, максимальные уровни уплотнения показаны.

Нуклеосома

Нуклеосома является основной единицей организации хроматина. Каждая нуклеосома образована октамером гистонов, которые образуют своего рода барабан.

Октамер образован двумя копиями каждого из гистонов H2A, H2B, H3 и H4. Вокруг них ДНК дает почти 1,7 круга. За ним следует фракция свободной ДНК, называемая 20 pb-линкером, связанная с гистоном H1, а затем еще одна нуклеосома. Количество ДНК в нуклеосоме и той, которая соединяет ее с другой, составляет около 166 пар оснований..

Этот этап упаковки компактной ДНК в молекулу около 7 раз. То есть мы прошли от метра до чуть более 14 см ДНК.

Эта упаковка возможна потому, что положительные гистоны отменяют отрицательный заряд ДНК и последующий электростатический самоимпульс. Другая причина в том, что ДНК может изгибаться таким образом, чтобы она могла вращать октамер гистона..

Волокно 30 нм

Волокно шариков в ожерелье, которые образуют много последовательных нуклеосом, дополнительно свернуто в более компактную структуру.

Хотя мы не знаем, какую структуру он на самом деле принимает, мы знаем, что он достигает толщины около 30 нм. Это так называемое 30 нм волокно; гистон H1 необходим для его формирования и стабильности.

Волокно 30 нм является основной структурной единицей гетерохроматина. Это из слабых нуклеосом, что из эухроматина.

Галстуки и повороты

Однако 30 нм волокно не является полностью линейным. Напротив, он образует петли длиной около 300 нм, серпантиновым образом, на малоизвестной белковой матрице.

Эти петли на матрице белка образуют более компактное хроматиновое волокно диаметром 250 нм. Наконец, они выровнены в виде простой спирали толщиной 700 нм, дающей начало одной из сестринских хроматид митотической хромосомы..

В конце концов, ДНК в ядерном хроматине уплотняется около 10000 раз в хромосоме делящейся клетки. В межфазном ядре его уплотнение также велико, так как оно примерно в 1000 раз по сравнению с "линейной" ДНК.

Мейотическое уплотнение ДНК

Говорят, что в мире биологии развития гаметогенез сбрасывает эпигеном. То есть он стирает следы ДНК, которые были созданы или испытаны жизнью создателя гаметы..

Эти маркеры включают метилирование ДНК и ковалентные модификации гистонов (код для гистонов). Но не весь эпигеном сбрасывается. То, что остается с брендами, будет нести ответственность за отцовский или материнский генетический отпечаток.

Неявный возврат к гаметогенезу легче увидеть в сперме. В сперме ДНК не упакована гистонами. Поэтому информация, связанная с его модификациями в организме-производителе, как правило, не наследуется.

ДНК сперматозоидов упаковывается благодаря взаимодействию с неспецифическими ДНК-связывающими белками, называемыми протаминами. Эти белки образуют дисульфидные мостики друг с другом, помогая тем самым формировать наложенные слои ДНК, которые не отталкивают электростатически.

ссылки

  1. Альбертс Б., Джонсон А.Д., Льюис Дж., Морган Д., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2014) Молекулярная биология клетки (6-е издание). W. W. Norton & Company, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
  2. Annunziato, A. (2008) Упаковка ДНК: нуклеосомы и хроматин. Образование в области природы 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
  3. Брукер Р.Дж. (2017). Генетика: анализ и принципы. McGraw-Hill Higher Education, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
  4. Мартинес-Антонио, А. Медина-Ривера, А., Collado-Vides, J. (2009) Структурно-функциональная карта бактериального нуклеоида. Genome Biology, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
  5. Мэтью-Фенн, Р. С., Дас, Р., Харбери, П. А. Б. (2008). Измерение двойной спирали. Science, 17: 446-449.
  6. Траверс, А. А. (2004) Структурная основа гибкости ДНК. Философские труды Лондонского королевского общества, серия А, 362: 1423-1438.
  7. Траверс А., Мусхелишвили Г. (2015) Структура и функции ДНК. FEBS Journal, 282: 2279-2295.