MIKÄ ON DNA-PAKKAUS? - BIOLOGIA - 2025

Pakkaus DNA on termi, joka määritellään kontrolloitua tiivistys DNA solussa. Mikään solu (ja todellakaan edes viruksissa) ei ole DNA-vapaa, löysä ja tosi ratkaisu.

DNA on erittäin pitkä molekyyli, joka on myös aina vuorovaikutuksessa valtavan määrän erilaisten proteiinien kanssa. DNA: lla on tietty spatiaalinen organisaatio, jotta se käsittelee, perii ja hallitsee kantamiensa geenien ilmentymistä. Solu suorittaa tämän kontrolloimalla tiukasti kutakin DNA-pakkauksen vaihetta erilaisilla tiivistysasteilla.

Kromatiini: rentoutuneesta (vasemmalla) tiivistyneeseen (oikealla). Otettu osoitteesta commons.wikimedia.org

Viruksilla on erilaiset pakkausstrategiat nukleiinihapoilleen. Yksi suosikkeista on kompakti spiraalien muodostuminen. Voitaisiin sanoa, että virukset ovat nukleiinihappoja, jotka on pakattu hyvin proteiineihin, jotka peittävät, suojaavat ja mobilisoivat niitä.

Prokaryooteissa DNA liittyy proteiineihin, jotka määrittävät kompleksisilmukoiden muodostumisen rakenteessa, jota kutsutaan nukleoidiksi. Toisaalta eukaryoottisolujen DNA: n tiivistymisen enimmäistaso on mitoottinen tai mejoottinen kromosomi.

Ainoa tapaus, jossa B-DNA: ta ei ole pakattu, on tätä tarkoitusta edistävä tutkimuslaboratorio.

DNA-rakenne

DNA koostuu kahdesta antiparallel-nauhasta, jotka muodostavat kaksoiskierre. Jokaisessa niistä on fosfodiesterisidosrauha, johon typpipitoisiin emäksiin kytketyt sokerit kiinnittyvät.

Molekyylin sisällä yhden kaistan typpipitoiset emäkset muodostavat vety sidoksia (kaksi tai kolme) komplementaarisen kaistan kanssa.

Tällaisessa molekyylissä suurin osa tärkeistä sidoskulmista osoittaa vapaata pyörimistä. Typpiemäs-sokeri-, sokeri-fosfaattiryhmä ja fosfodiesterisidokset ovat joustavia.

Tämä antaa joustavaksi sauvaksi katsotun DNA: n osoittaa jonkin verran kykyä taipua ja kiertyä. Tämä joustavuus antaa DNA: lle omaksua monimutkaiset paikalliset rakenteet ja muodostaa vuorovaikutussilmukoita lyhyillä, keskipitkillä ja pitkillä etäisyyksillä.

Tämä joustavuus selittää myös, kuinka 2 metriä DNA: ta voidaan ylläpitää jokaisessa ihmisen diploidisolussa. Sukusolussa (haploidinen solu) se olisi metri DNA: ta.

Bakteerin nukleoidi

Vaikka se ei ole murtumaton sääntö, bakteerikromosomi esiintyy yhtenä superkelaantuneena kaksikaistaisena DNA-molekyylinä.

Kaksinkertainen kierre kääntyy enemmän itsestään (yli 10 bp kierrosta kohti) tuottaen siten jonkin verran tiivistystä. Paikallisia solmuja syntyy myös entsymaattisesti hallittujen manipulaatioiden ansiosta.

Lisäksi DNA: ssa on sekvenssejä, jotka sallivat domeenien muodostumisen suurissa silmukoissa. Kutsumme superjäähdytyksen ja tilattujen silmukoiden tuloksena olevaa rakennetta nukleoidiksi.

Näissä tapahtuu dynaamisia muutoksia joidenkin proteiinien ansiosta, jotka tarjoavat jonkin verran rakenteellista vakautta tiivistyneelle kromosomille. Tiivistymisaste bakteereissa ja arhaassa on niin tehokas, että nukleoidiä kohden voi olla enemmän kuin yksi kromosomi.

Nukleoidi tiivistää prokaryoottisen DNA: n vähintään noin 1000 kertaa. Nukleoidin erittäin topologinen rakenne on perustavanlaatuinen osa geenien säätelyä, joita kromosomi kantaa. Eli rakenne ja toiminta muodostavat saman yksikön.

Eukaryoottisen kromosomin tiivistymisasteet

Eukaryoottisessa ytimessä oleva DNA ei ole alasti. Se on vuorovaikutuksessa monien proteiinien kanssa, joista tärkeimmät ovat histonit. Histonit ovat pieniä, positiivisesti varautuneita proteiineja, jotka sitoutuvat DNA: han epäspesifisesti.

Ytimessä mitä havaitsemme, on monimutkainen DNA: histonit, joita kutsumme kromatiiniksi. Hyvin kondensoitunut kromatiini, jota ei yleensä ekspressoida, on heterokromatiini. Sitä vastoin vähiten tiivistynyt (löysämpi) tai euchromatiini on kromatiini, jonka geenit ilmenevät.

Kromatiinilla on erilaisia ​​tiivistymisasteita. Elementäärisin on nukleosomi; Sitä seuraa solenoidikuitu- ja vaiheidenväliset kromatiinisilmukat. Vain kun kromosomi jakaa, maksimaaliset tiivistustasot näytetään.

Nukleosomi

Nukleosomi on kromatiinin organisoinnin perusyksikkö. Jokainen nukleosomi koostuu histonien oktaameerista, jotka muodostavat eräänlaisen rummun.

Oktameeri koostuu kahdesta kopiosta jokaisesta histonista H2A, H2B, H3 ja H4. Niiden ympärillä DNA kulkee noin 1,7 kertaa. Sitä seuraa fraktio vapaasta DNA: sta, jota kutsutaan 20 bp: n linkkeriksi, joka liittyy histoniin H1, ja sitten toinen nukleosomi. DNA: n määrä nukleosomissa ja se, joka sitoo sen toiseen, on noin 166 emäsparia.

Tämä DNA-pakkausvaihe tiivistää molekyylin noin 7 kertaa. Eli me siirrymme metristä hieman yli 14 cm: n DNA: han.

Tämä pakkaaminen on mahdollista, koska positiiviset histonit peruuttavat DNA: n negatiivisen varauksen ja siitä seuraavan sähköstaattisen itsetoiston. Toinen syy on se, että DNA voidaan taivuttaa siten, että se voi kääntää histonien oktaameerin.

30nm kuitua

Monien peräkkäisten nukleosomien muodostamassa kaulakorussa oleva helmikuitu kiedotaan edelleen kompaktimmpaan rakenteeseen.

Vaikka emme ole selviä siitä, minkä rakenteen se tosiasiallisesti omaksuu, tiedämme, että sen paksuus on noin 30 nm. Tämä on ns. 30 nm kuitu; Histoni H1 on välttämätön sen muodostumiselle ja stabiilisuudelle.

30 nm kuitu on heterokromatiinin perusrakenneyksikkö. Lax-nukleosomien, euchromatin.

Solmiot ja kääntyvät

30 nm: n kuitu ei kuitenkaan ole täysin lineaarinen. Päinvastoin, se muodostaa silmukoita, joiden pituus on noin 300 nm, mutkittelemalla, vähän tunnetulle proteiinimatriisille.

Nämä proteiinimatriisin silmukat muodostavat pienemmän halkaisijan 250 nm: n kromatiinikuidun. Lopuksi ne kohdistuvat yhdeksi 700 nm paksuiseksi kierukkaksi, mikä aiheuttaa yhden mitoottisen kromosomin sisarkromatiideista.

Viime kädessä ydinkromatiinin DNA tiivistyy noin 10 000 kertaa jakavan solun kromosomiin. Vaiheidenvälisessä ytimessä myös sen tiivistyminen on suurta, koska se on noin 1000 kertaa verrattuna "lineaariseen" DNA: han.

DNA: n meioottinen tiivistäminen

Kehitysbiologian maailmassa gametogeneesin sanotaan nollaavan epigenomin. Toisin sanoen se poistaa DNA-merkinnät, jotka osoittavat, että sukusolun aiheuttaneen henkilön elämä on tuotettu tai koettu.

Nämä merkinnät sisältävät DNA-metyloinnin ja histonien kovalenttiset modifikaatiot (koodi histoneille). Mutta ei koko epigenoomi ole nollattu. Se, mikä jää jäljelle, vastaa isän tai äidin geneettisestä jäljennöksestä.

Implisiittinen palautus gametogeneesiin on helpompi nähdä siittiöissä. Spermissä DNA ei ole täynnä histoneja. Siksi sen modifikaatioihin liittyvää tietoa tuottavassa organismissa ei yleensä ole peritty.

Spermissä DNA pakataan johtuen vuorovaikutuksesta epäspesifisten DNA: ta sitovien proteiinien kanssa, nimeltään protamiinit. Nämä proteiinit muodostavat disulfidisidoksia keskenään, auttaen siten muodostamaan päällekkäisiä DNA-kerroksia, jotka eivät hylkää toisiaan sähköstaattisesti.

Viitteet

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014), Molecular Biology of Cell (6. painos). WW Norton & Company, New York, NY, Yhdysvallat.
2. Annunziato, A. (2008) DNA-pakkaus: Nukleosomit ja kromatiini. Luonnonkasvatus 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetiikka: Analyysi ja periaatteet. McGraw-Hillin korkeakoulutus, New York, NY, Yhdysvallat.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Bakteerinukleoidin rakenne- ja toiminnallinen kartta. Genomibiologia, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) kaksoiskierukan mittaus. Science, 17: 446 - 449.
6. Travers, AA (2004) DNA: n joustavuuden rakenteellinen perusta. Lontoon kuninkaallisen yhdistyksen filosofiset kaupat, sarja A, 362: 1423 - 1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNA: n rakenne ja toiminta. FEBS Journal, 282: 2279 - 2295.