Chromatin

Chromatin
n., množné číslo: chromatiny

Definice: Chromatin je komplex nukleových kyselin (např. DNA nebo RNA) a bílkovin (např. histonů)

Definice chromatinu

Co je chromatin v buňce? Chromatin je komplex nukleových kyselin (např. DNA nebo RNA) a proteinů (např. histonů). Byl identifikován v roce 1882. Zpočátku byl považován pouze za barevnou látku v jádře, později se však zjistilo, že chromatin je charakterizován jako bílkoviny připojené k DNA, a DNA byla identifikována jako nositelka genetické informace (Ma, Kanakousaki a Buttitta 2015). Chromatin tedy můžeme definovat jako látku sestávající z DNA a přidružených proteinů (známých jako histony).

Co jsou to histony?

Histony jsou kladně nabité základní bílkoviny, které se vážou na záporně nabité fosfátové molekuly DNA. V chromatinu jsou dva hlavní prvky, tj. DNA buňky a přidružené proteiny. Přidružené bílkoviny jsou známé jako histony. Nebo můžeme říci, že chromatin obsahuje bílkoviny zvané histony.

Chromatin je obalový materiál pro DNA. Pokud není dobře zabalena, může se kolem sebe zamotat nebo se poškodit při dělení buňky. Velikost buněk se udává v mikrometrech a DNA může být dlouhá až 3 metry. Aby se tak dlouhá struktura vešla do mikrometrové buňky, je nutné těsné zabalení.

Co je to nukleozom?

Molekula DNA se ovíjí kolem histonových bílkovin a vytváří těsné smyčky známé jako nukleozomy.

Nukleozomy se svinují a jsou svázány dohromady a vytvářejí jakési vlákno známé jako chromatinové vlákno. Tyto chromatiny se zase pomocí bílkovin také smyčkují a skládají a vytvářejí chromozom. Proto je známo, že chromozom nese část nebo celý genetický materiál organismu. Jakmile je DNA zkondenzována do chromozomu, je nyní chráněna díky své pevně vinuté struktuře. Podrobnější informace o jeho struktuře najdete v této části: Struktura chromatinu.

Chromatin hraje také důležitou roli při regulaci přenosu genetické informace. Než začneme technicky definovat chromatin, uvědomme si, co to vlastně je. Pro pochopení chromatinu se podívejme na následující schéma:

Kde se chromatin nachází?

Kde se nachází chromatin? V eukaryotických buňkách se chromatin nachází v jádře. Zde je obrázek, který vám pomůže pochopit jeho umístění v buněčném jádře.

Geny v chromatinu

Geny přítomné v chromatinu mohou být buď vypnuté, nebo zapnuté. To znamená, že v některých buňkách je určitá část genu aktivní („zapnutá“), zatímco jiná není („vypnutá“). Co reguluje tento komplex informací od genů k proteinům a mRNA? Ano, je to chromatin.

Pro ověření této skutečnosti použili vědci ovocnou mušku jako modelový organismus ke studiu zapnutého a vypnutého stavu genů v chromatinu. Výsledek jejich studie identifikoval 5 odlišných typů chromatinu popsaných jedinečnou přítomností proteinů.

Těchto pět typů pak bylo pojmenováno jako barvy: Zelená, žlutá, černá, modrá a červená. Černá barva byla zcela neaktivní, zelená a modrá byly částečně aktivní a žlutá a červená byly plně aktivní geny v chromatinu. Zjistili, že geny ve žlutém chromatinu byly zapnuty téměř ve všech buňkách, protože regulovaly životně důležité funkce buněk. Červené chromatiny byly zapnuté v některých konkrétních buňkách, protože řídily specifičtější funkce (Serra et al., 2017).

Struktura chromatinu

V eukaryotickém chromatinu mají histonové bílkoviny a DNA stejnou hmotnost (i když existují i buňky, kde místo nich nejsou histonové bílkoviny). Nukleozom je strukturní jednotkou chromatinu, který se zase skládá z DNA a (histonových nebo nehistonových) proteinů. Tato struktura se opakuje v celém genetickém materiálu organismu. Struktura chromatinu zabaleného do struktury vyššího řádu je znázorněna níže.

Co znamená model chromatinu „korálky na provázku“?

DNA a histonové proteiny zajišťují první úroveň zhutnění DNA uvnitř jádra. Základní jednotkou struktury chromatinu je nukleozom. Nukleozom vzniká tak, že se DNA ovíjí kolem histonů (bílkovinného jádra) a vytváří „korálkovou“ strukturu. Tato korálkovitá struktura se nazývá nukleozom. Na obrázku 3 druhá shora je forma chromatinu „korálek na provázku“. Nukleosom je komplex 146 párů bází DNA a je navinut z vnějšku 8 bílkovin, tj. histonů. DNA omotaná kolem histonů tedy tvoří nukleozom.

Existuje pět různých typů histonů, a to H1, H2A, H2B, H3 a H4. Histonové jádro vzniká spojením dvou proteinů H2A a H2B s proteiny H3 a H4. Přibližně 145 párů bází DNA je dvakrát ovinuto kolem této proteinové struktury a tvoří nukleozom. Délka linkerové DNA se může lišit v závislosti na aktivitě genů daného druhu a může se pohybovat mezi 10 a 95 páry bází. Po každých 200 párech bází je nukleozom a jeho délka byla 10 nm.

Při pohledu mikroskopem vypadá chromatin jako korálky nasazené na šňůrce. Tyto korálky se nazývají nukleozomy. Samotný nukleozom se skládá z osmi bílkovin známých jako histony. Nukleozomy tvoří solenoid tím, že se ovíjejí do 30nm spirály. V tomto solenoidu pomáhají další histonové proteiny vytvářet strukturu chromatinu. Chromatin se díky stále kompaktnější struktuře kondenzuje do chromozomů (Baldi, Korber a Becker 2020).

Jaký je vztah mezi DNA a chromatinem?

Chromatin je obal DNA. DNA a přidružené proteiny jsou zabaleny do chromatinu tak, aby se vešly do jádra.

Jak je DNA sestavena do chromatinové struktury?

Sestavování DNA do chromatinu probíhá v několika krocích. V prvním kroku se na DNA ukládají proteiny H3e a H4 a po nich H2A a H2B. Vznikne subnukleozomální částice sestávající ze 146 párů bází DNA. Druhým krokem je zrání, při kterém ATP stanoví konzistentní rozestupy jader nukleozomů. V dalším kroku je zahájeno skládání linkerových histonů do nukleofilamentu o struktuře 30 nm. V posledním kroku dochází k dalšímu skládání vedoucímu k vyššímu stupni zabalení. Poměr balení je přibližně 7000.

Euchromatin vs. heterochromatin

Existují dvě formy chromatinu: (1) euchromatin a (2) heterochromatin. Euchromatin je méně kondenzovaný a může být přepisován, zatímco heterochromatin je vysoce kondenzovaný a obvykle nemůže být přepisován. Heterochromatin se dále dělí na konstitutivní heterochromatin a fakultativní heterochromatin. Konstitutivní heterochromatin jsou sekvence DNA existující ve všech buňkách organismu. Konstitutivní heterochromatin souvisí s vysoce opakovanou DNA. Podobně fakultativní heterochromatin není přítomen ve všech buňkách. Například gen kódující beta-globin u živočichů je přítomen v některých buňkách, ale ne v krvinkách. Jak bylo vysvětleno dříve, chromatin je v eukaryotických buňkách komplexem proteinů a DNA. Jaderná DNA neexistuje ve formě lineárních vláken, ale je pevně zhuštěná a omotaná kolem jaderných bílkovin tak, aby se vešla do jádra.

Funkce chromatinu

Původně byl chromatin považován za látku, která dává barvu buněčnému jádru. Později se zjistilo, že není jen barvivem, ale že je jedním z nejdůležitějších regulátorů exprese DNA. Chromatinová struktura má také důležitou roli při replikaci DNA. Výsledkem zabalení DNA do chromatinu a nukleozomu je pevně uzavřená struktura, která není přístupná enzymům zodpovědným za transkripci, replikaci a opravy DNA.

Zabalení struktury DNA je transkripčně represivní a umožňuje pouze základní úroveň genové exprese. V případě otevřených nebo narušených nukleozomových struktur může být DNA snadněji replikována a přepisována.

Během procesu transkripce je chromatinová struktura měněna některými represory a aktivátory, které interagují s RNA a regulují aktivitu genu. Aktivátory mění strukturu nukleozomů, což vede ke stimulaci sestavení RNA polymerázy. Během replikace dochází k podobné regulaci struktury chromatinu, která umožňuje, aby byl replikační mechanismus na místě v počátku replikace.

Další funkcí chromatinu je regulace genové exprese. Pomocí procesu variace s efektem polohy lze geny přeměnit na transkripčně neaktivní tím, že se umístí do blízkosti tichých heterochromatických chromatinů. Vzdálenost mezi tichými heterochromatinovými chromatiny a geny může být až 1000 kilobázových párů. Tento jev se označuje jako epigenetický, protože způsobuje variabilitu fenotypu.

Vědci navrhli, že vysoce kondenzovaná povaha heterochromatinu brání přepisu DNA. Zatím však není zcela jasné, jak jsou ovlivněny sousední neheterochromatické oblasti. Vědci zjistili, že proteiny v chromatinu se mohou šířit do sousedních oblastí a vyvolat tak podobný represivní účinek. Vědci také navrhli, že v jádře mohou existovat oddíly, které nejsou přístupné transkripčním faktorům a v nichž se může nacházet heterochromatin. Chromatin v jádře tedy nemusí být přímo přístupný transkripčním faktorům.

Struktura chromatinu ovlivňuje replikaci DNA. Například euchromatin a další aktivní oblasti genomu se replikují dříve. Podobně v heterochromatinu a tiché oblasti kolem něj je proces replikace také pomalý. Další důležité funkce chromatinu jsou popsány níže.

Balení DNA

Nejdůležitější funkcí chromatinu je balení dlouhých vláken DNA do mnohem menšího prostoru. Lineární délka DNA je velmi dlouhá v porovnání s místem, kde se nachází. Aby se bezpečně a pevně vešla, aniž by se zamotala nebo poškodila, musí být DNA nějakým způsobem zabalena. Zhuštění DNA do jádra se označuje jako kondenzace. Míra, do jaké je DNA v tělese zhuštěna, se nazývá packing ratio. Balicí poměr DNA je přibližně 7000. Pro tento vysoký stupeň zhuštění není DNA zabalena přímo do struktury chromatinu. Spíše existuje několik hierarchií uspořádání.

Počátečního zabalení je dosaženo ovinutím DNA kolem nukleozomu. Tím se získá poměr balení 6. Toto balení je stejné pro heterochromatin i euchromatin. Druhé úrovně zhuštění je dosaženo zabalením kuliček do vlákna o velikosti 30 nm, které se rovněž nachází jak v mitotických chromozomech, tak v interfázním chromatinu. Toto zabalení zvyšuje poměr balení ze 6 na 40. Třetího stupně zhutnění se dosáhne dalším vinutím vlákna do smyček, domén a lešení. Toto konečné balení zvýšilo poměr balení na 10 000 u mitotických chromozomů a 1000 u interfázních chromatinů.

Chromozomy jsou nejvíce stlačeny během metafáze. Během buněčného dělení eukaryotických buněk musí být DNA rovnoměrně rozdělena do dvou dceřiných buněk. Během této fáze je DNA silně stlačená, a jakmile buňka dokončí dělení, chromozom se opět rozbalí. Porovnáme-li délku chromozomů v metafázi s délkou lineární DNA, může být poměr zabalení až 10 000:1. Této vysoké míry kompakce je dosaženo fosforylací histonu H1.

Regulace transkripce

Transkripce je proces přenosu genetické informace z DNA do proteinů. Tato informace je následně přepsána do RNA. Posledním krokem je translace RNA do funkčních proteinů. Proces transkripce je řízen chromatinem. Pokud je chromatin zesílen a omezuje přístup ke čtení proteinů, transkripce se zastaví. Heterochromatin je kondenzovaný typ chromatinu, který je silně zabalený a proteiny nemohou číst DNA. Zatímco euchromatin není tak pevně zabalený a proteiny mohou provádět proces opisu DNA. Podobně existují aktivní a neaktivní chromatiny, které mohou přispívat k transkripčnímu prasknutí nebo přerušení transkripce.

Mezi další faktory transkripce patří asociace a disociace komplexu transkripčních faktorů přítomných v chromatinu. Tento jev je považován za příčinu vysoké variability genové exprese, k níž dochází mezi buňkami v izogenní populaci.

Chromatin a opravy DNA

Všechny procesy založené na DNA závisí na balení DNA do chromatinu. Chromatin má schopnost měnit svůj tvar a strukturu díky dynamickému uspořádání proteinů. Při poškození DNA dochází k relaxaci chromatinu. Tato relaxace umožňuje proteinům navázat se na DNA a opravit ji.

Chromatin v mitóze

Mitóza je proces buněčného dělení, při kterém mají výsledné dvě buňky (dceřiné buňky) stejný typ a počet chromozomů jako mateřské jádro. Chromatin má důležitou funkci během čtyř kroků mitózy.

• Profáze: Během této fáze se chromatinová vlákna ovíjejí a vytvářejí chromozomy. Replikovaný chromozom se skládá ze dvou chromatid spojených v centroméře.
• Metafáze: Během této fáze dochází k extrémní kondenzaci chromatinu
• Anafáze: Během této fáze mikrotubuly vřeténka vytáhnou dva identické chromozomy na konec buňky a oddělí je.
• Telofáze: V této fázi se nové chromozomy oddělí do vlastního jádra. V této fázi se chromatinová vlákna rozbalováním stávají méně kondenzovanými. Vznikají dvě identické buňky se stejným počtem chromozomů.

Chromatin, chromozom a chromatida

Ačkoli všechny tři struktury, tj. chromatin, chromozomy a chromatidy, jsou přítomny v jádře buňky a jsou složeny z DNA, jsou však jedinečně identifikovány, jak je popsáno níže:

Chromatin vs. chromatidy. Chromozom

Hlavní rozdíl mezi chromatinem a chromozomy spočívá v tom, že chromatin se skládá z DNA a histonů, které jsou zabaleny do vlákna, zatímco chromozom je jednovláknová forma kondenzovaného chromatinu. Struktura chromozomu je založena na jemném vláknu chromatinu. Zatímco funkce chromatinu jsou popsány výše, funkce chromozomů je zásadní při mutaci, regeneraci, dělení buněk, variabilitě a dědičnosti. Během buněčného dělení navíc chromatin kondenzuje a vytváří chromozom, který je dvouvláknový a má tvar písmene X. V průběhu dělení buňky se chromozom zkondenzuje. Obě vlákna jsou spojena se středem prostřednictvím oblasti známé jako centromera.

Kde se v buňce nacházejí chromozomy?

Chromozomy se nacházejí v jádře eukaryotické buňky. U prokaryot je chromozom obvykle jedna smyčka stabilní chromozomální DNA v nukleoidu, např. bakteriální buňky. Prokaryotická DNA je spojena s nehistonovými bílkovinami. U virů také neexistuje jádro, a tak se chromozom může jevit jako krátká lineární nebo kruhová struktura molekuly DNA nebo RNA, která často postrádá jakékoli strukturní bílkoviny obalené obalem nebo kapsidou své hlavy.

Jaký je vztah mezi chromatinem a chromozomy?

Vztah mezi chromatinem a chromozomem spočívá v tom, že chromatin dále podléhá kondenzaci a vytváří chromozom. Poměr balení DNA chromozomu je vyšší než u chromatinu.

Chromatin vs. chromatida

Chromozomy mají dvě vlákna. Jedno vlákno chromozomu se nazývá chromatidou. Tyto chromatidy se na konci buněčného dělení oddělují a stávají se z nich dceřiné chromozomy. Chromatin je tedy zcela odlišný od chromatidy, protože hlavními prvky chromatinu jsou DNA a přidružené bílkoviny ve formě vláken, zatímco chromatida je součástí chromozomu. Ano, chromatid obsahuje chromatin.

Chromatin vs. nukleosom

Nukleosom je část DNA, která je omotána kolem jádra bílkovinami. Chromatin je komplex DNA s bílkovinami a pomáhá při kondenzaci DNA pro zabalení do jádra.

• Anthony T. Annunziato. 2008. „Balení DNA: Nukleosomy a chromatin“. Nature Education. 2008. https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310/#%0Ahttps://www.scribd.com/document/257368023/DNA-Packaging-Nucleosomes-and-Chromatin-Annunziato-2014.
• Baldi, Sandro, Philipp Korber a Peter B Becker. 2020. „Korálky na provázku – uspořádání nukleozomového pole a skládání chromatinového vlákna“. Nature Structural & Molecular Biology 27 (2): 109-18.
• Kreativní diagnostika. 2017. „Struktura a funkce chromatinu“. 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
• Jansen, A. a K. J. Verstrepen. 2011. „Nucleosome Positioning in Saccharomyces Cerevisiae“ (Umístění nukleozomů v Saccharomyces Cerevisiae). Microbiology and Molecular Biology Reviews 75 (2): 301-20. https://doi.org/10.1128/mmbr.00046-10.
• Ma, Yiqin, Kiriaki Kanakousaki a Laura Buttitta. 2015. „Jak buněčný cyklus ovlivňuje architekturu chromatinu a ovlivňuje osud buňky“. Frontiers in Genetics 6: 19.
• Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion a Marc A Marti-Renom. 2017. „Automatická analýza a 3D-modelování Hi-C dat pomocí TADbit odhaluje strukturní vlastnosti barev chromatinu mouchy“. PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.

.