Chromatin
n., Plural: Chromatine
Definition: Ein Komplex aus Nukleinsäuren (z. B. DNA oder RNA) und Proteinen (z. B. Histone)
Inhaltsverzeichnis
Chromatin Definition
Was ist Chromatin in einer Zelle? Chromatin ist ein Komplex aus Nukleinsäuren (z.B. DNA oder RNA) und Proteinen (z.B. Histone). Es wurde im Jahr 1882 identifiziert. Zunächst dachte man, es handele sich lediglich um eine farbige Substanz im Zellkern. Später stellte man jedoch fest, dass Chromatin aus Proteinen besteht, die an die DNA gebunden sind, und die DNA wurde als Träger der genetischen Information identifiziert (Ma, Kanakousaki und Buttitta 2015). Somit können wir Chromatin als eine Substanz definieren, die aus DNA und assoziierten Proteinen (bekannt als Histone) besteht.
Was sind Histone?
Histone sind positiv geladene basische Proteine, die an negativ geladene Phosphatmoleküle der DNA binden. Es gibt zwei Hauptelemente in einem Chromatin, nämlich die DNA der Zelle und die assoziierten Proteine. Die assoziierten Proteine sind als Histone bekannt. Oder wir können sagen, dass Chromatin Proteine enthält, die Histone genannt werden.
Chromatin ist ein Verpackungsmaterial für die DNA. Wenn es nicht gut verpackt ist, kann es sich um sich selbst wickeln oder bei der Zellteilung beschädigt werden. Die Größe von Zellen wird in Mikrometern angegeben, und eine DNA kann bis zu 3 Meter lang sein. Um eine so lange Struktur in eine mikrometergroße Zelle einzupassen, ist eine enge Packung erforderlich.
Was ist ein Nukleosom?
Ein DNA-Molekül wickelt sich um die Histonproteine, um enge Schleifen zu bilden, die als Nukleosomen bekannt sind.
Die Nukleosomen wickeln sich auf und werden zu einer Art Faser gebündelt, die als Chromatinfaser bekannt ist. Diese Chromatine wiederum winden und falten sich mit Hilfe von Proteinen, um ein Chromosom zu bilden. Aus diesem Grund ist ein Chromosom dafür bekannt, dass es einen Teil oder das gesamte genetische Material eines Organismus trägt. Sobald die DNA zu einem Chromosom kondensiert ist, ist sie durch ihre fest verschlungene Struktur geschützt. Weitere Einzelheiten über seine Struktur finden Sie in diesem Abschnitt: Chromatinstruktur.
Chromatin spielt auch eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Übertragung der genetischen Information. Bevor wir Chromatin technisch definieren, sollten wir verstehen, was es ist. Schauen wir uns das folgende Diagramm an, um Chromatine zu verstehen:
Wo befindet sich Chromatin?
Wo befindet sich das Chromatin? In eukaryotischen Zellen befindet sich das Chromatin im Zellkern. Die folgende Abbildung hilft Ihnen, seine Lage im Zellkern zu verstehen.
Gene im Chromatin
Die Gene im Chromatin können entweder aus- oder eingeschaltet werden. Das heißt, in manchen Zellen ist ein bestimmter Teil des Gens aktiv („eingeschaltet“), während der andere nicht aktiv ist („ausgeschaltet“). Wodurch wird diese komplexe Information von den Genen zu den Proteinen und der mRNA reguliert? Ja, es ist das Chromatin.
Um dies zu bestätigen, verwendeten die Forscher die Fruchtfliege als Modellorganismus, um den Ein- und Ausschaltzustand der Gene im Chromatin zu untersuchen. Das Ergebnis ihrer Studie identifizierte fünf verschiedene Arten von Chromatin, die durch das einzigartige Vorhandensein von Proteinen beschrieben werden.
Diese fünf Arten wurden dann als Farben bezeichnet: Grün, Gelb, Schwarz, Blau und Rot. Schwarz war völlig inaktiv, Grün und Blau waren teilweise aktiv, und Gelb und Rot waren voll aktive Gene im Chromatin. Sie fanden heraus, dass die Gene im gelben Chromatin in fast allen Zellen eingeschaltet waren, weil sie die lebenswichtigen Funktionen der Zellen regulierten. Die roten Chromatine waren in einigen bestimmten Zellen eingeschaltet, weil sie spezifischere Funktionen regelten (Serra et al., 2017).
Chromatinstruktur
Das Histonprotein und die DNA haben im eukaryotischen Chromatin die gleiche Masse (obwohl es auch einige Zellen gibt, die stattdessen Nicht-Histonproteine haben). Das Nukleosom ist die strukturelle Einheit des Chromatins, das wiederum aus DNA und (Histon- oder Nicht-Histon-)Proteinen besteht. Diese Struktur wiederholt sich im gesamten genetischen Material eines Organismus. Die Struktur des Chromatins, das in eine Struktur höherer Ordnung gepackt ist, ist unten dargestellt.
Was ist mit dem „Perlen an einer Schnur“-Modell des Chromatins gemeint?
Die DNA und die Histonproteine bilden die erste Ebene der Verdichtung der DNA im Zellkern. Die grundlegende Struktureinheit des Chromatins ist das Nukleosom. Ein Nukleosom entsteht, wenn die DNA um die Histone (den Proteinkern) gewickelt wird und so eine „perlenartige“ Struktur bildet. Diese wulstartige Struktur wird als Nukleosom bezeichnet. In Abbildung 3 ist das zweite von oben die „Perlen-an-einer-Schnur“-Form des Chromatins. Das Nukleosom ist ein Komplex aus 146 Basenpaaren DNA und ist von außen um 8 Proteine, d.h. Histone, gewickelt. So bildet die um Histone gewickelte DNA ein Nukleosom.
Es gibt fünf verschiedene Arten von Histonen, nämlich H1, H2A, H2B, H3 und H4. Ein Histonkern entsteht, wenn sich zwei H2A und H2B mit H3- und H4-Proteinen verbinden. Ungefähr 145 Basenpaare DNA werden zweimal um diese Proteinstruktur gewickelt, um ein Nukleosom zu bilden. Die Länge der Linker-DNA kann je nach Art der Genaktivität variieren und zwischen 10 und 95 Basenpaaren liegen. Alle 200 Basenpaare kommt ein Nukleosom vor, und seine Länge beträgt 10 nm.
Bei Betrachtung durch ein Mikroskop sieht das Chromatin wie Perlen aus, die auf eine Schnur aufgezogen sind. Diese Perlen werden als Nukleosomen bezeichnet. Das Nukleosom selbst besteht aus acht Proteinen, den so genannten Histonen. Die Nukleosomen bilden ein Solenoid, indem sie sich zu einer 30nm großen Spirale aufwickeln. In diesem Solenoid tragen weitere Histonproteine zur Bildung der Chromatinstruktur bei. Das Chromatin kondensiert durch die zunehmende Kompaktheit der Struktur zu Chromosomen (Baldi, Korber und Becker 2020).
Was ist die Beziehung zwischen DNA und Chromatin?
Chromatin ist die Verpackung der DNA. Die DNA und die zugehörigen Proteine sind im Chromatin verpackt, damit sie in den Zellkern passen.
Wie wird die DNA in die Chromatinstruktur eingebaut?
Es gibt mehrere Schritte, die am Einbau der DNA in das Chromatin beteiligt sind. Im ersten Schritt lagern sich die Proteine H3e und H4 an die DNA an, gefolgt von H2A und H2B. Es bildet sich ein subnukleosomales Partikel, das aus 146 Basenpaaren der DNA besteht. Der zweite Schritt ist die Reifung, bei der ATP einen gleichmäßigen Abstand zwischen den Nukleosomkernen herstellt. Im nächsten Schritt beginnt die Faltung der Linker-Histone zu einem Nukleofilament von 30 nm Struktur. Im letzten Schritt erfolgt eine weitere Faltung, die zu einem höheren Packungsgrad führt. Das Packungsverhältnis beträgt etwa 7000.
Euchromatin vs. Heterochromatin
Es gibt zwei Formen von Chromatin: (1) Euchromatin und (2) Heterochromatin. Euchromatin ist weniger kondensiert und kann transkribiert werden, während Heterochromatin stark kondensiert ist und normalerweise nicht transkribiert werden kann. Das Heterochromatin wird weiter unterteilt in konstitutives Heterochromatin und fakultatives Heterochromatin. Das konstitutive Heterochromatin sind die DNA-Sequenzen, die in allen Zellen eines Organismus vorhanden sind. Das konstitutive Heterochromatin bezieht sich auf stark wiederholte DNA. Ähnlich ist das fakultative Heterochromatin nicht in allen Zellen vorhanden. So ist beispielsweise das Gen, das bei Tieren für Beta-Globin kodiert, in bestimmten Zellen vorhanden, nicht aber in Blutzellen. Wie bereits erläutert, ist das Chromatin in eukaryontischen Zellen ein Komplex aus Proteinen und DNA. Die Kern-DNA liegt nicht als linearer Strang vor, sondern ist eng kondensiert und um Kernproteine gewickelt, damit sie in den Zellkern passt.
Funktion des Chromatins
Anfänglich wurde das Chromatin als die Substanz betrachtet, die dem Zellkern seine Farbe verleiht. Später stellte man fest, dass es nicht nur eine färbende Substanz ist, sondern auch einer der wichtigsten Regulatoren der DNA-Expression. Die Chromatinstruktur spielt auch eine wichtige Rolle bei der Replikation der DNA. Die Verpackung der DNA in Chromatin und Nukleosom führt zu einer fest verschlossenen Struktur, die für Enzyme, die für die Transkription, Replikation und Reparatur der DNA verantwortlich sind, nicht zugänglich ist.
Die Verpackung der DNA-Struktur ist transkriptionell repressiv und erlaubt nur eine basale Genexpression. Bei offenen oder gestörten Nukleosomenstrukturen kann die DNA leichter repliziert und transkribiert werden.
Während des Transkriptionsprozesses wird die Chromatinstruktur durch einige Repressoren und Aktivatoren verändert, die mit RNA interagieren, um die Genaktivität zu regulieren. Aktivatoren verändern die Nukleosomenstruktur, was zu einer Stimulation der RNA-Polymerase-Assemblierung führt. Während der Replikation findet eine ähnliche Regulierung der Chromatinstruktur statt, die es ermöglicht, den Replikationsmechanismus am Replikationsursprung zu platzieren.
Eine weitere Funktion des Chromatins besteht in der Regulierung der Genexpression. Mit Hilfe des Prozesses der Positionseffekt-Variation können die Gene in transkriptionell inaktive Bereiche umgewandelt werden, indem sie in der Nähe von stummen heterochromatischen Chromatinen lokalisiert werden. Der Abstand zwischen stillen Heterochromatin-Chromatinen und Genen kann bis zu 1000 Kilobasenpaare betragen. Dieses Phänomen wird als epigenetisch bezeichnet, da es zu Variationen des Phänotyps führt.
Wissenschaftler vermuten, dass die stark verdichtete Natur des Heterochromatins die Transkription der DNA verhindert. Es ist jedoch noch nicht vollständig geklärt, wie die benachbarten nicht-heterochromatischen Regionen betroffen sind. Die Forscher fanden heraus, dass sich Proteine im Chromatin auf benachbarte Regionen ausbreiten können, um eine ähnliche repressive Wirkung zu erzielen. Die Forscher schlugen auch vor, dass es im Zellkern einige Abteilungen geben könnte, die für Transkriptionsfaktoren nicht zugänglich sind und in denen sich Heterochromatin befinden könnte. So ist das Chromatin im Zellkern möglicherweise nicht direkt für Transkriptionsfaktoren zugänglich.
Die Struktur des Chromatins beeinflusst die DNA-Replikation. Zum Beispiel replizieren das Euchromatin und andere aktive Bereiche des Genoms früher. In ähnlicher Weise ist der Replikationsprozess im Heterochromatin und den stummen Bereichen um dieses herum ebenfalls langsam. Weitere wichtige Funktionen des Chromatins werden im Folgenden beschrieben.
DNA-Verpackung
Die wichtigste Funktion des Chromatins ist die Verpackung langer DNA-Stränge auf viel kleinerem Raum. Die lineare Länge der DNA ist sehr groß im Vergleich zu dem Ort, an dem sie sich befindet. Damit sie sicher und ohne Verknäuelung oder Beschädigung Platz findet, muss die DNA auf irgendeine Weise komprimiert werden. Die Verdichtung der DNA im Zellkern wird als Kondensation bezeichnet. Der Grad der Verdichtung der DNA in einem Körper wird als Packungsgrad bezeichnet. Der Packungsgrad der DNA liegt bei etwa 7000. Um diesen hohen Verdichtungsgrad zu erreichen, wird die DNA nicht direkt in die Struktur des Chromatins verpackt. Vielmehr gibt es mehrere Organisationshierarchien.
Die erste Packung wird erreicht, indem die DNA um das Nukleosom gewickelt wird. Dies ergibt ein Packungsverhältnis von 6. Diese Packung ist für Heterochromatin und Euchromatin gleich. Die zweite Stufe der Verdichtung wird erreicht, indem die Kügelchen in eine 30 nm große Faser eingewickelt werden, die auch in mitotischen Chromosomen und Interphasenchromatin zu finden ist. Durch diese Umhüllung wird das Packungsverhältnis von 6 auf 40 erhöht. Die dritte Stufe der Verdichtung wird erreicht, indem die Faser weiter zu Schleifen, Domänen und Gerüsten gewickelt wird. Durch diese abschließende Packung erhöht sich das Packungsverhältnis auf 10.000 bei mitotischen Chromosomen und 1000 bei Interphasen-Chromatinen.
Chromosomen werden in der Metaphase am stärksten komprimiert. Bei der Zellteilung eukaryontischer Zellen muss die DNA gleichmäßig auf zwei Tochterzellen aufgeteilt werden. Während dieser Phase ist die DNA stark komprimiert, und sobald die Zelle die Teilung abgeschlossen hat, rollt sich das Chromosom wieder auf. Vergleicht man die Länge von Metaphasenchromosomen mit linearer DNA, so kann das Packungsverhältnis bis zu 10.000:1 betragen. Dieser hohe Verdichtungsgrad wird durch die Phosphorylierung von Histon H1 erreicht.
Transkriptionsregulation
Transkription ist der Prozess der Übertragung genetischer Informationen von der DNA auf Proteine. Diese Information wird dann in RNA umgeschrieben. Der letzte Schritt ist die Übersetzung der RNA in funktionelle Proteine. Der Transkriptionsprozess wird durch Chromatin gesteuert. Wenn das Chromatin verstärkt ist und den Zugang zum Ablesen der Proteine einschränkt, wird die Transkription gestoppt. Das Heterochromatin ist eine kondensierte Form des Chromatins, die stark gepackt ist, so dass Proteine die DNA nicht ablesen können. Das Euchromatin hingegen ist nicht so dicht gepackt und die Proteine können den Prozess der DNA-Beschreibung durchführen. Ebenso gibt es aktive und inaktive Chromatine, die zum Transkriptionsausbruch oder zur Unterbrechung der Transkription beitragen können.
Weitere Faktoren bei der Transkription sind die Assoziation und Dissoziation des im Chromatin vorhandenen Transkriptionsfaktorkomplexes. Dieses Phänomen wird als Grund für die hohe Variabilität in der Genexpression angesehen, die zwischen Zellen in der isogenen Population auftritt.
Chromatin und DNA-Reparatur
Alle DNA-basierten Prozesse hängen von der Verpackung der DNA im Chromatin ab. Chromatin hat die Fähigkeit, seine Form und Struktur aufgrund der dynamischen Anordnung von Proteinen zu verändern. Wenn die DNA geschädigt wird, kommt es zu einer Entspannung des Chromatins. Diese Entspannung ermöglicht es den Proteinen, an die DNA zu binden und sie zu reparieren.
Chromatin in der Mitose
Mitose ist der Prozess der Zellteilung, bei dem die beiden entstehenden Zellen (Tochterzellen) den gleichen Typ und die gleiche Anzahl von Chromosomen haben wie der Mutterkern. Das Chromatin hat während der vier Schritte der Mitose eine wichtige Funktion.
- Prophase: In dieser Phase wickeln sich die Chromatinfasern ein, um die Chromosomen zu bilden. Das replizierte Chromosom besteht aus zwei am Zentromer vereinigten Chromatiden.
- Metaphase: Während dieser Phase kondensiert das Chromatin extrem
- Anaphase: In dieser Phase ziehen die Spindelmikrotubuli die beiden identischen Chromosomen an das Ende der Zelle und trennen sie.
- Telophase: In dieser Phase werden die neuen Chromosomen in ihren eigenen Zellkern getrennt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Chromatinfasern weniger kondensiert, indem sie sich abwickeln. Es entstehen zwei identische Zellen mit der gleichen Anzahl von Chromosomen.
Chromatin, Chromosom und Chromatid
Obwohl alle drei Strukturen, d.h. Chromatin, Chromosomen und Chromatiden im Zellkern vorhanden sind und aus DNA bestehen, werden sie jedoch wie unten beschrieben eindeutig identifiziert:
Chromatin vs. Chromosom
Der Hauptunterschied zwischen Chromatin und Chromosomen besteht darin, dass Chromatin aus DNA und Histonen besteht, die zu einer Faser gepackt sind, während ein Chromosom eine einzelsträngige Form von kondensiertem Chromatin ist. Die Chromosomenstruktur basiert auf der feinen Faser des Chromatins. Während die Funktionen des Chromatins oben beschrieben wurden, ist die Funktion der Chromosomen bei Mutation, Regeneration, Zellteilung, Variation und Vererbung von entscheidender Bedeutung. Bei der Zellteilung kondensiert das Chromatin zu einem Chromosom, das doppelsträngig ist und die Form eines X hat. Die beiden Stränge sind in der Mitte durch eine Region verbunden, die als Zentromer bekannt ist.
Wo in der Zelle befinden sich die Chromosomen?
Die Chromosomen befinden sich im Zellkern einer eukaryontischen Zelle. Bei Prokaryoten ist das Chromosom typischerweise eine einzelne Schleife stabiler chromosomaler DNA im Nukleoid, z. B. einer Bakterienzelle. Die prokaryotische DNA ist mit Nicht-Histon-Proteinen verbunden. Bei Viren gibt es ebenfalls keinen Zellkern, so dass das Chromosom als eine kurze lineare oder zirkuläre Struktur aus DNA- oder RNA-Molekülen erscheinen kann, die oft keine Strukturproteine enthält und von einer Hülle oder einem Kapsid umschlossen ist.
Was ist die Beziehung zwischen Chromatin und Chromosomen?
Die Beziehung zwischen Chromatin und Chromosom besteht darin, dass das Chromatin weiter kondensiert wird, um ein Chromosom zu bilden. Das Packungsverhältnis der DNA eines Chromosoms ist höher als das des Chromatins.
Chromatin vs. Chromatid
Es gibt zwei Stränge von Chromosomen. Der Einzelstrang des Chromosoms wird Chromatid genannt. Diese Chromatiden trennen sich am Ende der Zellteilung und werden zu Tochterchromosomen. Das Chromatin ist also etwas völlig anderes als das Chromatid, denn die Hauptelemente des Chromatins sind die DNA und die damit verbundenen Proteine in Form von Fasern, während das Chromatid ein Teil des Chromosoms ist. Ja, das Chromatid enthält Chromatin.
Chromatin vs. Nukleosom
Das Nukleosom ist der Teil der DNA, der um einen Kern aus Proteinen gewickelt ist. Chromatin ist der DNA-Komplex mit Proteinen und hilft bei der DNA-Kondensation für die Packung in den Zellkern.
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