Kromatin

Kromatin
n., flertal: chromatiner

Definition: Et kompleks af nukleinsyrer (f.eks. DNA eller RNA) og proteiner (f.eks. histoner)

Hvad er histoner?

Histoner er positivt ladede basiske proteiner, der binder sig til negativt ladede fosfatmolekyler i DNA. Der er to hovedelementer i et kromatin, dvs. cellens DNA og de tilknyttede proteiner. De associerede proteiner er kendt som histoner. Eller vi kan sige, at kromatin indeholder proteiner, der kaldes histoner.

Kromatin er et emballagemateriale for DNA. Hvis det ikke pakkes godt, kan det vikle sig sammen om sig selv eller blive beskadiget under celledelingen. Cellernes størrelse er i mikrometer, og et DNA kan være op til 3 meter langt. For at få plads til en så lang struktur i en mikrometercelle er det nødvendigt med en tæt pakning.

Hvad er nukleosomer?

Et DNA-molekyle vikler sig om histonproteinerne for at skabe tætte sløjfer, der kaldes nukleosomer.

Nukleosomerne vikler sig og er bundtet sammen for at danne en slags fiber, der kaldes kromatinfibre. Disse kromatiner slynger og folder sig til gengæld også rundt ved hjælp af proteiner for at danne et kromosom. Det er derfor, at et kromosom er kendt for at bære en del af eller hele det genetiske materiale i en organisme. Når først DNA’et er kondenseret til et kromosom, er det nu beskyttet på grund af sin tæt slyngede struktur. Flere detaljer om dets struktur findes i dette afsnit: Kromatins struktur.

Kromatin spiller også en vigtig rolle, mens det regulerer overførslen af genetisk information. Før vi giver en teknisk definition af kromatin, skal vi forstå, hvad det er. Lad os se på følgende diagram for at forstå kromatiner:

Hvor findes kromatin?

Hvor er kromatinet placeret? I eukaryote celler findes kromatinet i kernen. Her er en illustration, der vil hjælpe dig med at forstå dets placering i cellekernen.

Gener i kromatin

Generne, der findes i kromatin, kan enten være slukkede eller tændte. Det betyder, at i nogle celler er en bestemt del af genet aktivt (“tændt”), mens den anden del ikke er det (“slukket”). Hvad regulerer denne komplekse information fra generne til proteiner og mRNA? Ja, det er kromatinet.

For at bekræfte dette brugte forskerne frugtfluer som modelorganisme til at studere genernes tændte og slukkede tilstand i kromatinet. Resultatet af deres undersøgelse identificerede 5 forskellige typer kromatin, der blev beskrevet ved den unikke tilstedeværelse af proteiner.

Disse fem typer blev derefter navngivet som farver: Grøn, gul, sort, blå og rød. Sort var helt inaktiv, grøn og blå var delvist aktive, og gul og rød var fuldt aktive gener i kromatinet. De fandt ud af, at generne i det gule kromatin var tændt i næsten alle cellerne, fordi de regulerede cellernes livsvigtige funktioner. Rødt kromatin var tændt i nogle specifikke celler, fordi de regulerede mere specifikke funktioner (Serra et al., 2017).

Kromatinstruktur

Histonproteinet og DNA har en lige stor masse i eukaryote kromatin (selvom der også er nogle celler med ikke-histonproteiner i stedet). Nukleosomet er den strukturelle enhed i kromatinet, som igen består af DNA og (histon- eller ikke-histon-) proteiner. Denne struktur gentages i hele en organismes genetiske materiale. Strukturen af kromatin, der pakkes ind i en struktur af højere orden, er vist nedenfor.

Hvad menes der med “perler på en snor”-modellen af kromatin?

DNA og histonproteinerne udgør det første niveau af komprimering for DNA inde i kernen. Den grundlæggende enhed i kromatinets struktur er nukleosomet. Et nukleosom dannes, når DNA vikles rundt om histoner (proteinkernen) for at danne en “perle-lignende” struktur. Denne perleformede struktur er kendt som et nukleosom. I figur 3 er den anden fra oven den “perler på en snor”-form af kromatin. Nukleosomet er et kompleks af 146 basepar af DNA og er viklet udefra af 8 proteiner, dvs. histoner. DNA viklet rundt om histoner danner således et nukleosom.

Der findes fem forskellige typer histoner, nemlig H1, H2A, H2B, H3 og H4. En histonkerne dannes, når to H2A- og H2B-proteiner kombineres med H3- og H4-proteiner. Ca. 145 basepar af DNA er viklet to gange rundt om denne proteinstruktur for at danne et nukleosom. Længden af linker-DNA kan variere afhængigt af artens genaktivitet og kan svinge mellem 10 og 95 basepar. Der er et nukleosom efter hvert 200 basepar, og dets længde var 10 nm.

Når man kigger gennem et mikroskop, ligner kromatinet perler, der er monteret i en snor. Disse perler er kendt som nukleosomer. Selve nukleosomet er sammensat af otte proteiner, der er kendt som histoner. Nukleosomerne danner en solenoid ved at vikle sig ind i en spiral på 30 nm. I denne solenoide hjælper yderligere histonproteiner med at danne kromatinstrukturen. Kromatinet kondenserer til kromosomer på grund af den stigende kompakte struktur (Baldi, Korber og Becker 2020).

Hvad er forholdet mellem DNA og kromatin?

Kromatin er DNA’s indpakning. DNA og tilknyttede proteiner er pakket ind i kromatin for at passe ind i en kerne.

Hvordan samles DNA i kromatinstrukturen?

Der er flere trin involveret i samlingen af DNA i kromatinet. I det første trin aflejrer H3e- og H4-proteinerne sig på DNA efterfulgt af H2A og H2B. Der dannes en subnukleosomal partikel bestående af 146 basepar af DNA. Det andet trin er modning, hvor ATP skaber en ensartet afstand mellem nukleosomkernerne. I det næste trin påbegyndes foldningen af linkerhistoner i et nukleofilament med en struktur på 30 nm. I det sidste trin sker der yderligere foldning, som fører til en højere grad af pakning. Pakningsforholdet er ca. 7000.

Euchromatin vs. Heterokromatin

Der findes to former for kromatin: (1) euchromatin og (2) heterokromatin. Euchromatin er mindre kondenseret og kan transskriberes, mens heterokromatin er stærkt kondenseret og typisk ikke kan transskriberes. Heterokromatinet er yderligere klassificeret som konstitutivt heterokromatin og fakultativt heterokromatin. Det konstitutive heterokromatin er de DNA-sekvenser, der findes i alle celler i en organisme. Det konstitutive heterokromatin er forbundet med højt gentaget DNA. På samme måde er fakultativt heterokromatin ikke til stede i alle celler. F.eks. er genet, der koder for beta-globin hos dyr, til stede i visse celler, men ikke i blodceller. Som forklaret tidligere er kromatin et kompleks af proteiner og DNA i eukaryote celler. Kerne-DNA’et eksisterer ikke som lineære strenge, men er tæt kondenseret og viklet om kerneproteiner, så det kan passe ind i kernen.

Kromatins funktion

I første omgang blev kromatin betragtet som den substans, der giver cellekernen farve. Senere fandt man ud af, at det ikke blot er et farvestof, men at det er en af de vigtigste regulatorer af DNA-ekspressionen. Kromatinstrukturen har også en vigtig rolle i forbindelse med replikationen af DNA. Pakningen af DNA i kromatin og nukleosom resulterer i en tæt lukket struktur, som ikke er tilgængelig for enzymer, der er ansvarlige for transkription, replikation og reparation af DNA.

Den pakkede DNA-struktur er transkriptionelt repressiv og tillader kun et basalt niveau af genekspression. For nukleosomstrukturer, der er åbne eller forstyrrede, kan DNA’et lettere replikeres og transskriberes.

Under transkriptionsprocessen ændres kromatinstrukturen af nogle repressorer og aktivatorer, som interagerer med RNA for at regulere genaktiviteten. Aktivatorer ændrer nukleosomstrukturen, hvilket resulterer i stimulering af RNA-polymerase-samlingen. Under replikationen sker der en lignende regulering af kromatinstrukturen, som gør det muligt for replikationsmekanismen at være på plads ved replikationens oprindelse.

En anden funktion af kromatin er reguleringen af genekspressionen. Ved hjælp af processen med positionseffektvariegation kan generne omdannes til transkriptionelt inaktive ved at placere dem i nærheden af tavse heterokromatiske kromatiner. Afstanden mellem tavse heterokromatinske kromatiner og gener kan være op til 1000 kilobasepar. Dette fænomen kaldes epigenetisk, fordi det giver variation i fænotypen.

Videnskabsfolk foreslog, at heterokromatins stærkt kondenserede natur forhindrer transkription af DNA. Det er dog endnu ikke fuldt ud forstået, hvordan de tilstødende ikke-heterokromatinske regioner påvirkes. Forskerne fandt ud af, at proteiner i kromatin kan sprede sig til naboregioner for at frembringe en lignende undertrykkende virkning. Forskerne foreslog også, at der kan være nogle rum i kernen, som ikke er tilgængelige for transkriptionsfaktorer, og hvor heterokromatinet måske befinder sig. Det er således muligt, at kromatinet i kernen ikke er direkte tilgængeligt for transkriptionsfaktorer.

Kromatinets struktur påvirker DNA-replikationen. Euchromatinet og andre aktive områder af genomet replikerer f.eks. tidligere. På samme måde er replikationsprocessen i heterokromatinet og det tavse område omkring det også langsom i heterokromatinet og det tavse område omkring det. Andre vigtige funktioner i kromatin er beskrevet nedenfor.

DNA-pakning

Den vigtigste funktion i kromatin er pakningen af lange DNA-strenge på et meget mindre rum. DNA’s lineære længde er meget lang i forhold til det sted, hvor det befinder sig. For at kunne passe sikkert og forsvarligt ind uden sammenfiltring eller beskadigelse skal DNA komprimeres ved hjælp af en eller anden metode. Komprimeringen af DNA i kernen betegnes som kondensering. Graden af komprimering af DNA i et legeme kaldes pakningsforholdet. DNA’s pakningsgrad er ca. 7000. For at opnå dette høje komprimeringsniveau pakkes DNA ikke direkte ind i kromatinstrukturen. Der er snarere flere hierarkier af organisering.

Den indledende pakning opnås ved at vikle DNA rundt om nukleosomet. Dette giver et pakningsforhold på 6. Denne pakning er den samme for både heterochromatin og euchromatin. Det andet niveau af komprimering opnås ved at vikle perlerne ind i en 30 nm fiber, som også findes i både mitotiske kromosomer og interfasekromatin. Denne indpakning øger pakningsforholdet fra 6 til 40. Tredje trin af komprimering opnås ved at vikle fiberen yderligere ind i løkker, domæner og stilladser. Denne sidste pakning øgede pakningsforholdet til 10.000 i mitotiske kromosomer og 1000 i interfasekromatiner.

Kromosomer er mest komprimeret under metafase. Under celledelingen i eukaryote celler skal DNA’et fordeles ligeligt på to datterceller. I denne fase er DNA’et stærkt komprimeret, og når cellen er færdig med delingen, rulles kromosomet ud igen. Når længden af kromosomer i metafase sammenlignes med lineært DNA, kan pakningsforholdet være så højt som 10 000:1. Denne høje grad af komprimering opnås ved fosforylering af histon H1.

Transskriptionsregulering

Transskription er processen med overførsel af genetisk information fra DNA til proteiner. Denne information transskriberes derefter til RNA. Det sidste trin er oversættelsen af RNA til funktionelle proteiner. Transkriptionsprocessen styres af kromatin. Hvis kromatinet er forstærket og begrænser adgangen til at læse proteinerne, vil transkriptionen stoppe. Heterokromatinet er en kondenseret type kromatin, der er stærkt pakket, og proteinerne kan ikke læse DNA’et. Mens euchromatinet ikke er så tæt pakket, og proteinerne kan gennemføre processen med DNA-beskrivelse. På samme måde er der aktive og inaktive kromatiner, der kan bidrage til transkriptionens udbrud eller afbrydelse af transkriptionen.

Andre faktorer i transkriptionen omfatter associering og dissociation af transkriptionsfaktorkomplekset, der er til stede i kromatinet. Dette fænomen anses for at være årsagen til den store variabilitet i genekspression, der forekommer mellem celler i den isogene population.

Kromatin og DNA-reparation

Alle DNA-baserede processer er afhængige af pakningen af DNA i kromatinet. Kromatin har evnen til at ændre sin form og struktur på grund af den dynamiske placering af proteiner. Når DNA er beskadiget, sker der en afslapning af kromatin. Denne afslapning gør det muligt for proteinerne at binde sig til DNA og reparere det.

Kromatin i mitose

Mitose er den proces ved celledeling, hvor de to celler (datterceller), der opstår, har samme type og antal kromosomer som moderkernen. Kromatin har en vigtig funktion under de fire trin i mitosen.

• Profasen: I denne fase vikler kromatinfibrene sig rundt for at danne kromosomerne. Det replikerede kromosom består af to kromatider, der er samlet ved centromeren.
• Metafase: I denne fase kondenseres kromatinet ekstremt meget
• Anafase: I denne fase trækker spindelmikrotubuli de to identiske kromosomer til enden af cellerne og adskiller dem.
• Telofase: I denne fase adskilles de nye kromosomer i deres egen kerne. På dette tidspunkt bliver kromatinfibrene mindre kondenseret ved at rulle sig af. Der dannes to identiske celler med det samme antal kromosomer.

Kromatin, kromosom og kromat

Men selv om alle tre strukturer dvs. kromatin, kromosomer og kromatider er til stede i cellens kerne og består af DNA, er de dog entydigt identificeret som beskrevet nedenfor:

Chromatin vs. Kromosom

Den største forskel mellem kromatin og kromosomer er, at kromatin består af DNA og histoner, der er pakket sammen til en fiber, mens et kromosom er en enkeltstrenget form for kondenseret kromatin. Kromosomstrukturen er baseret på kromatinets fine fiber. Mens kromatinets funktioner er beskrevet ovenfor, er kromosomernes funktion afgørende i forbindelse med mutation, regeneration, celledeling, variation og arvelighed. Under celledelingen kondenserer kromatinet sig desuden til et kromosom, og kromosomet er dobbeltstrenget med X-form. De to strenge er forbundet til midten gennem et område, der er kendt som centromeren.

Hvor i cellen er kromosomerne placeret?

Kromosomerne befinder sig i kernen i en eukaryote celle. Hos prokaryoter er kromosomet typisk en enkelt løkke af stabilt kromosom-DNA i nukleoidet, f.eks. i en bakteriecelle. Prokaryote DNA er forbundet med ikke-histoneproteiner. I virus er der heller ikke nogen kerne, og kromosomet kan derfor fremstå som en kort lineær eller cirkulær struktur af DNA- eller RNA-molekyle, der ofte mangler strukturelle proteiner, som er omsluttet af en kuvert eller et capsid af dets hoved.

Hvad er forholdet mellem kromatin og kromosomer?

Sammenhængen mellem kromatin og kromosom er, at kromatin yderligere undergår en kondensation for at danne et kromosom. Et kromosoms DNA-pakningsforhold er højere end kromatin.

Kromatin vs. kromatid

Der er to strenge af kromosomer. Den enkelte streng af kromosomet kaldes en kromatid. Disse kromatider adskilles i slutningen af celledelingen for at blive til datterkromosomer. Kromatinet er således helt forskelligt fra kromatid, fordi de vigtigste elementer i kromatinet er DNA og tilknyttede proteiner i form af fibre, mens kromatid er en del af kromosomet. Ja, kromatiden indeholder kromatin.

Kromatin vs. nukleosom

Nukleosomet er den del af DNA’et, der er viklet rundt om en kerne af proteiner. Kromatinen er DNA-komplekset med protein og hjælper med DNA-kondensering med henblik på pakning i kernen.

• Anthony T. Annunziato. 2008. “DNA Packaging: Nucleosomes and 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, og Peter B Becker. 2020. “Perler på en streng-Nucleosome Array Arrangements and Folding of the Chromatin Fiber.” Nature Structural & Molecular Biology 27 (2): 109-18.
• Kreativ-diagnostik. 2017. “Kromatins struktur og funktion”. 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
• Jansen, A., og K. J. Verstrepen. 2011. “Nucleosome Positioning in Saccharomyces Cerevisiae.” Microbiology and Molecular Biology Reviews 75 (2): 301-20. https://doi.org/10.1128/mmbr.00046-10.
• Ma, Yiqin, Kiriaki Kanakousaki, og Laura Buttitta. 2015. “Hvordan cellecyklusen påvirker kromatinarkitekturen og påvirker cellens skæbne.” Frontiers in Genetics 6: 19.
• Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion, og Marc A Marti-Renom. 2017. “Automatisk analyse og 3D-modellering af Hi-C-data ved hjælp af TADbit afslører strukturelle træk ved fluekromatinfarver.” PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.