Что такое Хроматин?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, которые закручиваются друг вокруг друга, образуя двойную спираль, и который содержит генетический материал, необходимый всем известным существам, включая многие вирусы, для развития, функционирования, роста и размножения. Нуклеиновые кислоты включают ДНК и рибонуклеиновую кислоту (РНК). Нуклеиновые кислоты являются одной из четырех основных категорий макромолекул, необходимых для всех известных форм жизни, наряду с белками, липидами и сложными углеводами (полисахаридами).

хроматин

• Эукариотические хромосомы размещены в отдельной клеточной структуре, известной как ядро.
• Чтобы поместить ДНК в ядро, необходимо сжать значительную часть ее длины.
• Связывание ДНК с множеством различных клеточных белков приводит к компактизации ДНК.
• Упаковка завершается нуклеопротеиновым комплексом, известным как хроматин, высокоструктурированным ДНК-белковым комплексом.
• Хроматин представляет собой динамическую структуру, которая может меняться в течение жизни клетки как по форме, так и по составу (клеточный цикл).
• На стадии метафазы хромосомы чрезвычайно конденсированы, а на стадии интерфазы присутствуют очень дисперсные структуры.

хромосома

Одноцепочечные скопления компактного хроматина составляют хромосомы. Хромосомы реплицируются во время процессов клеточного деления митоза и мейоза, чтобы гарантировать, что каждая новая дочерняя клетка будет иметь соответствующее количество хромосом. Дублированная хромосома имеет хорошо известную X-образную форму и является двухцепочечной. Центромера представляет собой центральную область, где две нити связаны и имеют одинаковую длину.

Хроматида

Хроматидой может быть одна из двух нитей реплицированной хромосомы. Сестринские хроматиды – это хроматиды, соединенные центромерой. Сестринские хроматиды расщепляются в конце клеточного деления, чтобы создать дочерние хромосомы во вновь созданных дочерних клетках.

Состав хроматина и упаковка

Гистоны

1. Гистоны составляют большую часть белков хроматина.
2. Небольшие положительно заряженные белки, известные как гистоны, бывают пяти основных разновидностей: H1, H2A, H2B, H3 и H4.
3. Высокие концентрации основных аминокислот аргинина и лизина обнаруживаются в высоких концентрациях в гистонах.
4. Эти положительно заряженные аминокислоты обеспечивают гистонам суммарный положительный заряд, что облегчает им соединение с отрицательно заряженной ДНК.
5. ДНК и гистон одинаково распространены в хроматине.
6. Эукариотические хромосомы также включают широкий спектр негистоновых хромосомных белков.
7. Иногда один из основных гистоновых белков заменяется в хроматине вариантными гистонами с альтернативной аминокислотной последовательностью.
8. Даже среди животных, которые являются дальними родственниками, аминокислотные последовательности гистонов H2A, H2B, H3 и H4 удивительно консервативны.
9. Эволюционное постоянство этих аминокислотных последовательностей убедительно свидетельствует о том, что гистоны играют одну и ту же фундаментальную функцию в расположении ДНК в хромосомах у всех эукариот.
10. Все гистоны в конечном итоге связаны друг с другом с точки зрения эволюции, согласно структурному анализу, который показывает, что классы гистонов действительно имеют общую третичную структуру.

Роль H1

1. Гистон H1 вызывает конденсацию хроматина на следующем уровне.
2. H1 не является компонентом коровой частицы, в отличие от других гистонов.
3. H1 присоединяется к 20–22 п.н. ДНК в точках, где нити входят в октамер и выходят из него.
4. H1 связывается как с серединой сегмента ДНК, окружающего основные гистоны, так и с линкерной ДНК на одном конце нуклеосомы.
5. H1 действует как зажим вокруг октамера нуклеосомы и служит для удержания ДНК в нужном положении.
6. Хроматосома — это собирательное название коровой частицы и связанного с ней гистона H1.

Нуклеосомы

1. Когда хроматин отделяют от клеточного ядра и рассматривают под электронным микроскопом, он выглядит как бусинки, нанизанные вместе.
2. Нуклеосома создается, когда ДНК и белок расщепляются ферментами нуклеазами.
3. Нуклеосома представляет собой простейший уровень хроматина и основную структурно-функциональную единицу хроматина.
4. Нуклеосома представляет собой сердцевинную частицу, образующуюся при обертывании ДНК вокруг октамера из восьми гистоновых белков примерно дважды (по 2 копии каждого из H2A, H2B, H3, H4).
5. От 145 до 147 п.н. ДНК находятся в прямом контакте с октамером гистонов.
6. ДНК в шесть раз компактнее в этом формате.

Линкерная ДНК

1. В каждую хроматосому входит около 167 п.н. ДНК (147 п.н. вокруг нуклеосомы + 20 п.н., связанных с H1).
2. Хромосомы отстоят друг от друга вдоль молекулы ДНК через равные промежутки времени с помощью линкерной ДНК.
3. Разные типы клеток имеют разные размеры линкерной ДНК, однако в большинстве клеток длина линкерной ДНК составляет от 30 до 40 п.н.

30-нм хроматиновое волокно

• Нуклеосомы группируются вместе, образуя хроматиновое волокно длиной 30 нм, структуру диаметром около 30 нм.
• Для 30nm z возможны две модели.
• Они есть:
  • Модель соленоида: в этой концепции линейный массив нуклеосом наматывается в соленоид более высокого порядка, левостороннюю спираль с примерно шестью нуклеосомами на каждом витке.
  • Модель спирали: в этой модели нуклеосомы сгруппированы в форме ленты, которая закручивается или закручивается в суперспираль.

Три стадии организации хроматина

1. Нуклеосомы, также называемые структурами «бусины на нитке», образуются, когда ДНК обертывается вокруг гистоновых белков ( эухроматина ).
2. 30-нанометровое волокно, состоящее из множества гистонов и массивов нуклеосом в их наиболее твердом состоянии (гетерохроматин ).
3. Суперспирализация ДНК 30-нм волокна на более высоком уровне производит метафазную хромосому (на протяжении митоза и мейоза).

Разные существа не придерживаются этой структуры. Например, эукариотические клетки и простейшие вообще не сжимают свой хроматин в видимые хромосомы, птичьи эритроциты и сперматозоиды имеют более плотно упакованный хроматин, чем большинство трипаносоматид. Для формирования своей ДНК прокариотические клетки имеют совершенно различную архитектуру (прокариотическая хромосома равна и называется генофором и заключена в нуклеоидную область).

Стадии клеточного цикла служат основой для простой структуры хроматиновой системы. Поскольку хроматин физически свободен во время интерфазы, ДНК- и РНК-полимеразы могут получить к нему доступ, копировать и реплицировать ДНК. Точные гены, присутствующие в ДНК, определяют основную структуру хроматина во время интерфазы. В структуре, известной как эухроматин, ДНК содержит гены, которые неплотно упакованы и сильно связаны с РНК-полимеразами, тогда как гетерохроматин, который содержит участки со спящими генами, обычно более плотно упакован и связан со структурными белками. Структурные белки хроматина, которые эпигенетически изменены ацетилированием и метилированием, также изменяют форму ограниченного хроматина, что влияет на экспрессию генов.

Структурная организация клеточного цикла

1. Интерфаза: когда ДНК вдавливается в ядро во время интерфазы митоза, структура хроматина корректируется, чтобы обеспечить прямой доступ компонентов транскрипции и репарации ДНК к ДНК. В зависимости от того, насколько необходим доступ к ДНК, меняется структура. Эухроматин должен передавать более свободную структуру генам, которые нуждаются в фиксированном доступе со стороны РНК-полимеразы.
2. Метафаза: структура хроматина в метафазе значительно отличается от таковой в интерфазе. Он спроектирован так, чтобы быть физически сильным и управляемым, формируя традиционную форму хромосомы, наблюдаемую в кариотипах . Согласно современным теориям, сжатый хроматин состоит из петель 30-нм волокон, поддерживающих белковое ядро. До сих пор нет четкого определения. На этом этапе деления прочность хроматина имеет решающее значение для предотвращения повреждения ДНК от сдвига при делении дочерних хромосом. Когда хроматин приближается к центромере, его организация изменяется, чтобы максимизировать силу, в основном из-за альтернативных эквивалентов гистона H1. Также имейте в виду, что, хотя большая часть хроматина сильно сжата во время митоза, есть несколько небольших участков, которые не сжимаются. Эти области часто соединяются с промоторными областями генов, которые находились в этом типе клеток до входа в хроматиды. Закладка, эпигенетический механизм, который считается важным для передачи дочерним клеткам «запоминания» того, какие гены были активны ранее для вступления в митоз, заключается в недостатке места в определенных областях. Из-за того, что транскрипция заканчивается во время митоза, этот процесс закладки необходим для распространения этой памяти.

Хроматин в митозе

1. Профаза: хроматиновые волокна превращаются в спиральные хромосомы во время профазы митоза. Две хроматиды соединяются или соединяются в центромере на каждой дуплицированной хромосоме.
2. Метафаза: во время метафазы хроматин становится невероятно толстым. На метафазной пластинке хромосомы выравниваются.
3. Анафаза: сестринские хроматиды или парные хромосомы расщепляются во время анафазы и вытягиваются на периферию клетки микротрубочками веретена.
4. Телофаза: каждая совершенно новая дочерняя хромосома расщепляется на собственное ядро во время телофазы. Волокна хроматина разрыхляются и становятся менее сжатыми. После цитокинеза образуются две генетически идентичные дочерние клетки. В каждой клетке одинаковое количество хромосом. Хроматин создается по мере того, как хромосомы продолжают удлиняться и разворачиваться.

Эухроматин и гетерохроматин

В зависимости от стадии клетки в клеточном цикле количество конденсированного хроматина внутри клетки может варьироваться. Гетерохроматин или эухроматин можно найти в ядре. Клетка проходит фазу роста во время интерфазы цикла, а не разделяется. Эухроматин, менее сжатая форма хроматина, составляет большую его часть. В эухроматине видно больше ДНК, что обеспечивает транскрипцию и репликацию ДНК. Двойная спираль ДНК раскручивается и открывается во время транскрипции, чтобы обеспечить репликацию генов, кодирующих белки. Чтобы клетка могла производить ДНК, белки и органеллы при подготовке к клеточному делению, необходимы репликация и транскрипция ДНК. Гетерохроматин составляет скромную часть хроматина во время интерфазы. Поскольку этот хроматин плотно упакован, транскрипция генов невозможна. Пятна красителя на гетерохроматине темнее, чем на эухроматине.

Функция хроматина

Сначала считалось, что хроматин является компонентом, придающим ядру клетки его цвет. Позже было обнаружено, что это один из наиболее важных регуляторов экспрессии ДНК, а не просто краситель. Структура хромосом имеет решающее значение для репликации ДНК. ДНК упакована в хроматин и нуклеосомы, образуя плотно замкнутую структуру, недоступную для ферментов, отвечающих за транскрипцию, репликацию и репарацию ДНК.

Допускается только минимальный уровень экспрессии генов из-за ограничивающей транскрипцию упаковки структуры ДНК. ДНК легче копировать и транскрибировать для открытых или поврежденных нуклеосомных структур.

Некоторые репрессоры и активаторы, которые взаимодействуют с РНК для контроля активности генов во время транскрипции, изменяют структуру хроматина. Активаторы изменяют структуру нуклеосомы, стимулируя сборку РНК-полимеразы. Подобная модуляция структуры хроматина также происходит во время репликации, что позволяет механизму репликации существовать в начале репликации.

Регуляция экспрессии генов является еще одной функцией хроматина. Помещая гены рядом с молчащими гетерохроматическими хроматинами, явление, известное как пестрота эффекта местоположения, может привести к тому, что гены станут транскрипционно неактивными. До 1000 пар оснований могут отделять хроматин молчащего гетерохроматина от генов. Поскольку это приводит к фенотипическому разнообразию, это явление известно как эпигенетика .

Часто задаваемые вопросы о хроматине

Вопрос 1: Из чего состоит хроматин?

Отвечать:

The term “chromatin” describes the DNA and protein mixture that makes up the chromosomes found in the cells of humans and other higher creatures. The enormous amount of DNA contained in a genome is packaged by many proteins, most notably histones, into a form that can fit inside the cell nucleus.

Вопрос 2: Где хранится хроматин?

Отвечать:

Eukaryotic cells’ nuclei include a combination of macromolecules called chromatin, which is made up of DNA, RNA, and protein.

Вопрос 3: Какова основная функция хроматина?

Отвечать:

The primary role of chromatin is to condense lengthy DNA molecules into smaller volumes by packaging them into compact, dense structures.

Вопрос 4: Какие существуют два типа хроматина?

Отвечать:

There are two varieties of chromatin. One type, referred to as euchromatin, is less compressed and capable of transcription. Heterochromatin is the name of the second type, which is extremely compressed and not usually transcribed.

Вопрос 5: Как называется половина хромосомы?

Отвечать:

One of a chromosome’s two identical halves that have been replicated in preparation for cell division is known as a chromatid. The centromere, a constrictive area of the chromosome, is where the two “sister” chromatids are linked.

Вопрос 6: Что такое факультативный хроматин?

Отвечать:

The cytological expression of epigenetic mechanisms that control gene expression is facultative heterochromatin. Histone H3 methylation and the presence of HP1 proteins distinguish constitutive heterochromatin from facultative heterochromatin, whose chromatin alterations are less well understood.