Kromatiini

Kromatiini
n., monikko: kromatiinit

Määritelmä: Nukleiinihappojen (esim. DNA tai RNA) ja proteiinien (esim. histonien)muodostama kompleksi

Kromatiini Määritelmä

Mitä kromatiini on solussa? Kromatiini on nukleiinihappojen (esim. DNA tai RNA) ja proteiinien (esim. histonien) muodostama kompleksi. Se tunnistettiin vuonna 1882. Aluksi sitä pidettiin vain värillisenä aineena ytimessä, mutta myöhemmin havaittiin, että kromatiini on ominaista DNA:han kiinnittyneille proteiineille, ja DNA tunnistettiin geneettisen informaation kantajaksi (Ma, Kanakousaki ja Buttitta 2015). Voimme siis määritellä kromatiinin aineeksi, joka koostuu DNA:sta ja siihen liitetyistä proteiineista (joita kutsutaan histoneiksi).

Mitä ovat histonit?

Histonit ovat positiivisesti varautuneita perusproteiineja, jotka sitoutuvat DNA:n negatiivisesti varautuneisiin fosfaattimolekyyleihin. Kromatiinissa on kaksi pääelementtiä eli solun DNA ja siihen liittyvät proteiinit. Assosioituneita proteiineja kutsutaan histoneiksi. Tai voimme sanoa, että kromatiini sisältää histoneiksi kutsuttuja proteiineja.

Kromatiini on DNA:n pakkausmateriaalia. Jos se ei ole hyvin pakattu, se voi sotkeutua itsensä ympärille tai vaurioitua solun jakautumisen aikana. Solujen koko on mikrometreissä ja DNA voi olla jopa 3 metriä pitkä. Jotta näin pitkä rakenne mahtuisi mikrometrin kokoiseen soluun, tarvitaan tiivistä pakkausta.

Mikä on nukleosomi?

DNA-molekyyli kietoutuu histoniproteiinien ympärille muodostaen tiukkoja silmukoita, joita kutsutaan nukleosomeiksi.

Nukleosomit kietoutuvat ja niputetaan toisiinsa muodostaen eräänlaisen kuidun, jota kutsutaan nimellä kromatiinikuitu. Nämä kromatiinit puolestaan myös silmukoituvat ja taittuvat proteiinien avulla kromosomin muodostamiseksi. Siksi kromosomin tiedetään kantavan osan tai koko organismin perintöainesta. Kun DNA on tiivistynyt kromosomiksi, se on nyt suojassa tiukasti kiertyneen rakenteensa ansiosta. Lisätietoja sen rakenteesta on tässä jaksossa: Kromatiinin rakenne.

Kromatiinilla on myös elintärkeä rooli geneettisen informaation siirtoa säädeltäessä. Ennen kuin kromatiini määritellään teknisesti, ymmärretään, mitä se on. Katsotaanpa seuraavaa kaaviota kromatiinien ymmärtämiseksi:

Mistä kromatiinia löytyy?

Missä kromatiini sijaitsee? Eukaryoottisoluissa kromatiini sijaitsee tuman sisällä. Seuraavassa on kuva, joka auttaa sinua ymmärtämään sen sijainnin solun tuman sisällä.

Geenit kromatiinissa

Kromatiinissa olevat geenit voivat olla joko pois päältä tai päällä. Se tarkoittaa, että joissakin soluissa tietty osa geenistä on aktiivinen (”päällä”), kun taas toinen osa ei ole (”pois päältä”). Mikä säätelee tätä monimutkaista tietoa geeneistä proteiineihin ja mRNA:han? Kyllä, se on kromatiini.

Varmistaakseen tämän tutkijat käyttivät hedelmäkärpästä malliorganismina tutkiakseen geenien päälle- ja pois päältä -tilaa kromatiinissa. Heidän tutkimuksensa tuloksena tunnistettiin 5 erilaista kromatiinityyppiä, joita kuvataan proteiinien ainutlaatuisella läsnäololla.

Nämä viisi tyyppiä nimettiin sitten väreiksi: Vihreä, keltainen, musta, sininen ja punainen. Musta oli täysin inaktiivinen, vihreä ja sininen olivat osittain aktiivisia ja keltainen ja punainen olivat täysin aktiivisia geenejä kromatiinissa. He huomasivat, että keltaisen kromatiinin geenit olivat päällä lähes kaikissa soluissa, koska ne säätelivät solujen elintärkeitä toimintoja. Punaiset kromatiinit olivat päällä joissakin tietyissä soluissa, koska ne säätelivät spesifisempiä toimintoja (Serra ym., 2017).

Kromatiinin rakenne

Histoniproteiineilla ja DNA:lla on eukaryoottisessa kromatiinissa yhtä paljon massaa (tosin on myös soluja, joissa on sen sijaan muita kuin histoniproteiineja). Nukleosomi on kromatiinin rakenneyksikkö, joka puolestaan koostuu DNA:sta ja (histoni- tai ei-histoni)proteiineista. Tämä rakenne toistuu koko organismin perintöaineksessa. Kromatiinin rakenne pakkautuneena korkeamman asteen rakenteeseen on esitetty alla.

Mitä tarkoitetaan kromatiinin ”helmiä narussa” -mallilla?

DNA ja histoniproteiinit tarjoavat ensimmäisen tason DNA:n tiivistämiselle tuman sisällä. Kromatiinin perusrakenneyksikkö on nukleosomi. Nukleosomi muodostuu, kun DNA kietoutuu histonien (proteiinien ydin) ympärille muodostaen ”helmimäisen” rakenteen. Tätä helmiäisen kaltaista rakennetta kutsutaan nukleosomiksi. Kuvassa 3 toinen ylhäältäpäin on kromatiinin ”helmiä narussa” -muoto. Nukleosomi on 146 emäsparin DNA:sta koostuva kompleksi, joka on kietoutunut 8 proteiinin, eli histonien, ulkopuolelle. Histonien ympärille kääritty DNA muodostaa siis nukleosomin.

Histoneja on viittä eri tyyppiä, nimittäin H1, H2A, H2B, H3 ja H4. Histoniydin syntyy, kun kaksi H2A- ja H2B-proteiinia yhdistyy H3- ja H4-proteiineihin. Noin 145 emäsparia DNA:ta kietoutuu kahdesti tämän proteiinirakenteen ympärille ja muodostaa nukleosomin. Linkkeri-DNA:n pituus voi vaihdella lajin geenin aktiivisuudesta riippuen ja se voi vaihdella 10-95 emäsparin välillä. Nukleosomi on joka 200 emäsparin jälkeen, ja sen pituus oli 10 nm.

Mikroskoopin läpi katsottuna kromatiini näyttää naruihin sovitetuilta helmiltä. Näitä helmiä kutsutaan nukleosomeiksi. Itse nukleosomi koostuu kahdeksasta proteiinista, joita kutsutaan histoneiksi. Nukleosomit muodostavat solenoidin kietoutumalla 30 nm:n spiraaliksi. Tässä solenoidissa lisää histoniproteiineja auttaa muodostamaan kromatiinin rakenteen. Kromatiini tiivistyy kromosomeiksi lisääntyvän kompaktin rakenteen ansiosta (Baldi, Korber ja Becker 2020).

Mikä on DNA:n ja kromatiinin suhde?

Kromatiini on DNA:n pakkaus. DNA ja siihen liittyvät proteiinit pakataan kromatiinin sisälle, jotta ne mahtuvat tumaan tumaan.

Miten DNA kootaan kromatiinirakenteeseen?

DNA:n kokoamisessa kromatiiniin on useita vaiheita. Ensimmäisessä vaiheessa H3e- ja H4-proteiinit laskeutuvat DNA:lle, minkä jälkeen tulevat H2A ja H2B. Syntyy subnukleosomaalinen hiukkanen, joka koostuu 146 emäsparista DNA:ta. Toinen vaihe on kypsyminen, jossa ATP:llä luodaan nukleosomiytimien yhtenäinen välimatka. Seuraavassa vaiheessa aloitetaan linkkihistonien taittuminen 30 nm:n kokoiseksi nukleofilamentiksi. Viimeisessä vaiheessa tapahtuu lisää taittumista, joka johtaa korkeampaan pakkautumistasoon. Pakkautumissuhde on noin 7000.

Eukromatiini vs. heterokromatiini

Kromatiinia on kahta muotoa: (1) euchromatiini ja (2) heterokromatiini. Eukromatiini on vähemmän tiivistynyttä ja sitä voidaan transkriboida, kun taas heterokromatiini on erittäin tiivistynyttä eikä sitä tyypillisesti voida transkriboida. Heterokromatiini luokitellaan edelleen konstitutiiviseen heterokromatiiniin ja fakultatiiviseen heterokromatiiniin. Konstitutiivinen heterokromatiini on DNA-sekvenssejä, joita esiintyy kaikissa organismin soluissa. Konstitutiivinen heterokromatiini liittyy voimakkaasti toistuvaan DNA:han. Vastaavasti fakultatiivinen heterokromatiini ei esiinny kaikissa soluissa. Esimerkiksi eläimillä beeta-globiinia koodaava geeni esiintyy tietyissä soluissa mutta ei verisoluissa. Kuten aiemmin selitettiin, kromatiini on eukaryoottisolujen proteiinien ja DNA:n muodostama kompleksi. Ydin-DNA ei ole olemassa lineaarisina säikeinä, vaan se on tiiviisti tiivistetty ja kietoutunut ydinproteiinien ympärille, jotta se mahtuu ytimeen.

Kromatiinin toiminta

Alun perin kromatiinia pidettiin aineena, joka antaa väriä solun ytimelle. Myöhemmin havaittiin, että se ei ole vain väriaine vaan yksi tärkeimmistä DNA:n ilmentymisen säätelijöistä. Kromatiinin rakenteella on myös tärkeä rooli DNA:n replikaatiossa. DNA:n pakkaaminen kromatiiniin ja nukleosomiin johtaa tiiviisti suljettuun rakenteeseen, johon DNA:n transkriptiosta, replikaatiosta ja korjauksesta vastaavat entsyymit eivät pääse käsiksi.

DNA:n rakenteen pakkaaminen on transkriptiivisesti repressiivinen ja sallii vain geeniekspression perustason. Nukleosomirakenteiden ollessa avoimia tai häiriintyneitä DNA:ta voidaan helpommin replikoida ja transkriboida.

Transkriptioprosessin aikana kromatiinirakennetta muuttavat eräät repressorit ja aktivaattorit, jotka ovat vuorovaikutuksessa RNA:n kanssa säätelemässä geenin toimintaa. Aktivaattorit muuttavat nukleosomirakennetta, mikä johtaa RNA-polymeraasin kokoonpanon stimulointiin. Replikaation aikana tapahtuu samanlaista kromatiinirakenteen säätelyä, jonka ansiosta replikaatiomekanismi on paikallaan replikaation alkulähteessä.

Kromatiinin toinen tehtävä on geeniekspression säätely. Sijaintivaikutuksen variaatioprosessin avulla geenit voidaan muuttaa transkriptiivisesti inaktiivisiksi sijoittamalla ne hiljaisten heterokromaattisten kromatiinien läheisyyteen. Hiljaisten heterokromatiinikromatiinien ja geenien välinen etäisyys voi olla jopa 1000 kilobasiparia. Tätä ilmiötä kutsutaan epigeneettiseksi, koska se tuottaa vaihtelua fenotyypissä.

Tutkijat ehdottivat, että heterokromatiinin erittäin tiivis luonne estää DNA:n transkription. Vielä ei kuitenkaan täysin ymmärretä, miten viereiset ei-heterokromaattiset alueet vaikuttavat. Tutkijat havaitsivat, että kromatiinissa olevat proteiinit voivat levitä naapurialueille tuottaakseen samanlaisen tukahduttavan vaikutuksen. Tutkijat ehdottivat myös, että ytimessä voi olla joitakin lokeroita, joihin transkriptiotekijät eivät pääse käsiksi ja joissa heterokromatiini saattaa sijaita. Näin ollen tuman kromatiini ei välttämättä ole suoraan transkriptiotekijöiden saavutettavissa.

Kromatiinin rakenne vaikuttaa DNA:n replikaatioon. Esimerkiksi euchromatiini ja muut genomin aktiiviset alueet monistuvat aikaisemmin. Vastaavasti heterokromatiinissa ja sitä ympäröivällä hiljaisella alueella replikaatioprosessi on myös hidas. Muita tärkeitä kromatiinin tehtäviä kuvataan jäljempänä.

DNA:n pakkaaminen

Kromatiinin tärkein tehtävä on pitkien DNA-säikeiden pakkaaminen paljon pienempään tilaan. DNA:n lineaarinen pituus on hyvin pitkä verrattuna siihen, missä se sijaitsee. Jotta DNA mahtuisi turvallisesti ja varmasti ilman sotkeutumista tai vaurioitumista, se on pakattava jollain menetelmällä. DNA:n tiivistämistä ytimeen kutsutaan tiivistämiseksi. Sitä, missä määrin DNA on tiivistynyt rungon sisällä, kutsutaan pakkautumissuhteeksi. DNA:n pakkaussuhde on noin 7000. Tämän korkean tiivistymisasteen vuoksi DNA:ta ei pakata suoraan kromatiinin rakenteeseen. Pikemminkin on olemassa useita järjestäytymishierarkioita.

Alustava pakkautuminen saavutetaan kietomalla DNA nukleosomin ympärille. Näin saadaan pakkautumissuhteeksi 6. Tämä pakkautuminen on sama sekä heterokromatiinille että euchromatiinille. Toinen pakkautumistaso saavutetaan kietomalla helmet 30 nm:n kuituun, jota esiintyy myös sekä mitoottisissa kromosomeissa että interfaasikromatiinissa. Tämä kääriminen lisää pakkautumissuhdetta 6:sta 40:een. Tiivistämisen kolmas vaihe saavutetaan käärimällä kuitu edelleen silmukoiksi, domeeneiksi ja telineiksi. Tämä lopullinen pakkautuminen nosti pakkaussuhteen 10 000:een mitoottisissa kromosomeissa ja 1000:een interfaasikromatiinissa.

Kromosomit pakkautuvat eniten metafaasin aikana. Eukaryoottisolujen solunjakautumisen aikana DNA:n on jakauduttava tasaisesti kahteen tytärsoluun. Tämän vaiheen aikana DNA on erittäin tiivistynyt, ja kun solu on saanut jakautumisen päätökseen, kromosomi purkautuu jälleen. Kun metafaasikromosomien pituutta verrataan lineaariseen DNA:han, pakkautumissuhde voi olla jopa 10 000:1. Tämä korkea pakkautumisaste saavutetaan histoni H1:n fosforylaatiolla.

Transkription säätely

Transkriptio on prosessi, jossa geneettinen informaatio siirretään DNA:sta proteiineihin. Tämä informaatio transkriboidaan sitten RNA:ksi. Viimeinen vaihe on RNA:n translaatio toiminnallisiksi proteiineiksi. Transkriptioprosessia ohjaa kromatiini. Jos kromatiini vahvistuu ja estää pääsyn proteiinien lukemiseen, transkriptio pysähtyy. Heterokromatiini on kromatiinin tiivistynyt tyyppi, joka on voimakkaasti pakkautunut, eivätkä proteiinit pysty lukemaan DNA:ta. Kun taas euchromatiini ei ole niin tiiviisti pakattu ja proteiinit voivat suorittaa DNA:n kuvausprosessin. Samoin on olemassa aktiivisia ja inaktiivisia kromatineja, jotka voivat vaikuttaa transkription puhkeamiseen tai transkription keskeytymiseen.

Muihin transkriptioon vaikuttaviin tekijöihin kuuluvat kromatiinissa olevien transkriptiotekijäkompleksien assosiaatio ja dissosiaatio. Tätä ilmiötä pidetään syynä geeniekspression suureen vaihteluun, jota esiintyy isogeenisen populaation solujen välillä.

Kromatiini ja DNA:n korjaus

Kaikki DNA:han perustuvat prosessit ovat riippuvaisia DNA:n pakkautumisesta kromatiiniin. Kromatiinilla on kyky muuttaa muotoaan ja rakennettaan proteiinien dynaamisen järjestelyn vuoksi. Kun DNA vaurioituu, kromatiini rentoutuu. Tämä relaksaatio mahdollistaa proteiinien sitoutumisen DNA:han ja sen korjaamisen.

Kromatiini mitoosissa

Mitoosi on solunjakautumisprosessi, jossa tuloksena syntyvillä kahdella solulla (tyttärisoluilla) on samantyyppiset ja -lukuiset kromosomit kuin vanhemmalla ytimellä. Kromatiinilla on tärkeä tehtävä mitoosin neljän vaiheen aikana.

• Prophase: Tässä vaiheessa kromatiinisäikeet kietoutuvat kromosomien muodostamiseksi. Monistettu kromosomi koostuu kahdesta kromatidista, jotka on yhdistetty sentromeerin kohdalla.
• Metafaasi: Tämän vaiheen aikana kromatiini tiivistyy erittäin voimakkaasti
• Anafaasi: Tässä vaiheessa karan mikrotubulukset vetävät kaksi identtistä kromosomia solun päähän ja erottavat ne toisistaan.
• Telofaasi: Tässä vaiheessa uudet kromosomit erottuvat omaan tumaansa. Tässä vaiheessa kromatiinisäikeet tiivistyvät vähemmän purkautumalla. Syntyy kaksi identtistä solua, joissa on sama määrä kromosomeja.

Kromatiini, kromosomi ja kromatidi

Vaikka kaikki nämä kolme rakennetta ts. kromatiini, kromosomit ja kromatidit ovat läsnä solun ytimessä ja koostuvat DNA:sta, ne on kuitenkin yksilöity yksiselitteisesti alla kuvatulla tavalla:

Kromatiini vs. Kromosomi

Suurin ero kromatiinin ja kromosomien välillä on se, että kromatiini koostuu DNA:sta ja histoneista, jotka ovat pakkautuneet kuiduiksi, kun taas kromosomi on yksijuosteinen tiivistetty kromatiini. Kromosomien rakenne perustuu kromatiinin hienojakoiseen kuituun. Vaikka kromatiinin toiminnot on kuvattu edellä, kromosomien toiminta on elintärkeää mutaation, uudistumisen, solun jakautumisen, variaation ja perinnöllisyyden aikana. Lisäksi solunjakautumisen aikana kromatiini tiivistyy kromosomiksi, ja kromosomi on kaksijuosteinen ja X-muotoinen. Molemmat säikeet yhdistyvät keskustaan sentromeeriksi kutsutun alueen kautta.

Missä kohtaa solua kromosomit sijaitsevat?

Kromosomit sijaitsevat eukaryoottisen solun ytimessä. Prokaryooteissa kromosomi on tyypillisesti yksittäinen silmukka vakaata kromosomaalista DNA:ta nukleoidissa, esim. bakteerisolussa. Prokaryoottiseen DNA:han liittyy muita kuin histoniproteiineja. Viruksissa ei myöskään ole tumia, joten kromosomi voi näyttäytyä lyhyenä lineaarisena tai ympyränmuotoisena DNA- tai RNA-molekyylin rakenteena, josta usein puuttuvat rakenneproteiinit ja jota ympäröi sen pään kuori tai kapsidi.

Mikä on kromatiinin ja kromosomien välinen suhde?

Kromatiinin ja kromosomin suhde on se, että kromatiini edelleen tiivistyy muodostaen kromosomin. Kromosomin DNA:n pakkautumissuhde on suurempi kuin kromatiinin.

Kromatiini vs. kromatidi

Kromosomeissa on kaksi säiettä. Kromosomin yhtä säiettä kutsutaan kromatidiksi. Nämä kromatidit erkanevat solunjakautumisen lopussa tytärkromosomeiksi. Kromatiini on siis täysin eri asia kuin kromatidi, koska kromatiinin pääelementit ovat DNA ja siihen liittyvät proteiinit kuidun muodossa, kun taas kromatidi on osa kromosomia. Kyllä, kromatidi sisältää kromatiinia.

Kromatiini vs. nukleosomi

Nukleosomi on DNA:n osa, joka on kiedottu proteiinien ytimen ympärille. Kromatiini on DNA:n kompleksi proteiinien kanssa ja auttaa DNA:n tiivistymisessä pakkautumista varten tumaan.

• Anthony T. Annunziato. 2008. ”DNA:n pakkaaminen: Nukleosomit ja kromatiini.” 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 ja Peter B Becker. 2020. ”Helmet narussa – nukleosomien järjestelyt ja kromatiinikuidun taittuminen”. Nature Structural & Molecular Biology 27 (2): 109-18.
• Luova-diagnostiikka. 2017. ”Kromatiinin rakenne ja toiminta”. 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
• Jansen, A. ja 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 ja Laura Buttitta. 2015. ”How the Cell Cycle Impacts Chromatin Architecture and Influences Cell Fate”. Frontiers in Genetics 6: 19.
• Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion ja Marc A Marti-Renom. 2017. ”Hi-C-datan automaattinen analyysi ja 3D-mallinnus TADbitin avulla paljastaa kärpäsen kromatiinivärin rakennepiirteitä”. PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.

.