Kromatin
n., többes szám: kromatinok
Definíció: Nukleinsavak (pl. DNS vagy RNS) és fehérjék (pl. hisztonok)
Tartalomjegyzék
Kromatin definíció
Mi a kromatin a sejtben? A kromatin nukleinsavak (pl. DNS vagy RNS) és fehérjék (pl. hisztonok) komplexe. Ezt 1882-ben azonosították. Kezdetben csak egy színes anyagnak gondolták a sejtmagban, később azonban kiderült, hogy a kromatint a DNS-hez kötött fehérjék jellemzik, és a DNS-t a genetikai információ hordozójaként azonosították (Ma, Kanakousaki, and Buttitta 2015). Így a kromatint DNS-ből és kapcsolódó fehérjékből (úgynevezett hisztonokból) álló anyagként definiálhatjuk.
Mi a hisztonok?
A hisztonok pozitív töltésű bázisfehérjék, amelyek a DNS negatív töltésű foszfátmolekuláihoz kötődnek. A kromatin két fő eleme a sejt DNS-e és a hozzá kapcsolódó fehérjék. A kapcsolódó fehérjéket hisztonoknak nevezzük. Vagy azt is mondhatjuk, hogy a kromatin hisztonoknak nevezett fehérjéket tartalmaz.
A kromatin a DNS csomagolóanyaga. Ha nem jól van becsomagolva, akkor a sejtosztódás során összegabalyodhat maga körül, vagy megsérülhet. A sejtek mérete mikrométerben van megadva, a DNS pedig akár 3 méter hosszú is lehet. Ahhoz, hogy egy ilyen hosszú szerkezet beférjen egy mikrométeres sejtbe, szoros csomagolásra van szükség.
Mi a nukleoszóma?
A DNS-molekula a hisztonfehérjék köré tekeredik, hogy szoros hurkokat hozzon létre, amelyeket nukleoszómáknak nevezünk.
A nukleoszómák feltekerednek és összecsomósodnak, hogy egyfajta rostot alkossanak, amelyet kromatinrostnak nevezünk. Ezek a kromatinok viszont a fehérjék segítségével szintén hurkot alkotnak és összecsukódnak, hogy kromoszómát hozzanak létre. Ezért ismert, hogy egy kromoszóma hordozza egy szervezet genetikai anyagának egy részét vagy egészét. Miután a DNS egy kromoszómába tömörült, most már védve van a szorosan összetekeredett szerkezetének köszönhetően. További részletek a szerkezetéről ebben a részben találhatók: Kromatin szerkezete.
A kromatin a genetikai információ átvitelének szabályozása során is létfontosságú szerepet játszik. Mielőtt technikailag definiálnánk a kromatint, értsük meg, mi is az. Nézzük meg a következő ábrát a kromatinok megértéséhez:
Hol található a kromatin?
Hol található a kromatin? Az eukarióta sejtekben a kromatin a sejtmagban található. Íme egy ábra, amely segít megérteni a sejtmagon belüli elhelyezkedését.
Gének a kromatinban
A kromatinban található gének ki- és bekapcsolhatók. Ez azt jelenti, hogy egyes sejtekben a gén egy bizonyos része aktív (“bekapcsolva”), míg a másik része nem (“kikapcsolva”). Mi szabályozza ezt a komplex információt a génektől a fehérjékig és az mRNS-ig? Igen, a kromatin.
A kutatók ennek igazolására a gyümölcslégyet használták modellszervezetként, hogy tanulmányozzák a gének be- és kikapcsolt állapotát a kromatinban. Vizsgálatuk eredménye 5 különböző kromatintípust azonosított, amelyeket a fehérjék egyedi jelenléte írt le.
Ezt az öt típust aztán színeknek nevezték el: Zöld, sárga, fekete, kék és vörös. A fekete teljesen inaktív, a zöld és a kék részben aktív, a sárga és a piros pedig teljesen aktív gének voltak a kromatinban. Azt találták, hogy a sárga kromatinban lévő gének szinte minden sejtben be voltak kapcsolva, mert a sejtek létfontosságú funkcióit szabályozták. A piros kromatinok néhány specifikus sejtben voltak bekapcsolva, mert specifikusabb funkciókat szabályoztak (Serra et al., 2017).
Kromatin szerkezete
A hisztonfehérje és a DNS egyenlő tömegű az eukarióta kromatinban (bár vannak olyan sejtek is, amelyekben ehelyett nem hisztonfehérjék vannak). A nukleoszóma a kromatin szerkezeti egysége, amely viszont DNS-ből és (hiszton vagy nem hiszton) fehérjékből áll. Ez a szerkezet ismétlődik a szervezet teljes genetikai anyagában. A magasabb rendű struktúrába pakolt kromatin szerkezete az alábbiakban látható.
Mit értünk a kromatin “gyöngyök a madzagon” modellje alatt?
A DNS és a hisztonfehérjék biztosítják a DNS tömörítésének első szintjét a sejtmagon belül. A kromatin alapvető szerkezeti egysége a nukleoszóma. A nukleoszóma akkor jön létre, amikor a DNS a hisztonok (a fehérjemag) köré tekeredik, hogy “gyöngyszerű” szerkezetet alkosson. Ezt a gyöngyszerű struktúrát nukleoszómának nevezzük. A 3. ábrán felülről a második a kromatin “gyöngyök a madzagon” formája. A nukleoszóma egy 146 bázispár DNS-ből álló komplex, amely kívülről 8 fehérjéből, azaz hisztonokból tekeredik össze. A hisztonok köré tekeredő DNS tehát nukleoszómát alkot.
Öt különböző típusú hiszton létezik, nevezetesen a H1, H2A, H2B, H3 és H4. A hisztonmag akkor jön létre, amikor két H2A és H2B egyesül a H3 és H4 fehérjékkel. Körülbelül 145 bázispár DNS kétszer tekeredik e fehérjeszerkezet köré, hogy nukleoszómát alkosson. A linker DNS hossza a faj génaktivitásától függően változhat, és 10-95 bázispár között lehet. Minden 200 bázispár után van egy nukleoszóma, amelynek hossza 10 nm volt.
Mikroszkópon keresztül nézve a kromatin úgy néz ki, mint a madzagba illesztett gyöngyök. Ezeket a gyöngyöket nukleoszómáknak nevezzük. Maga a nukleoszóma nyolc fehérjéből, úgynevezett hisztonokból áll. A nukleoszómák szolenoidot alkotnak, 30 nm-es spirálba tekeredve. Ebben a szolenoidban további hisztonfehérjék segítik a kromatin szerkezetének kialakítását. A kromatin a növekvő kompakt szerkezet miatt kromoszómákká kondenzálódik (Baldi, Korber és Becker 2020).
Milyen kapcsolat van a DNS és a kromatin között?
A kromatin a DNS csomagolása. A DNS és a hozzá kapcsolódó fehérjék a kromatinba csomagolódnak, hogy elférjenek a sejtmagban.
Hogyan épül be a DNS a kromatinszerkezetbe?
A DNS kromatinba való beépülésének több lépése van. Az első lépésben a H3e és H4 fehérjék rakódnak le a DNS-re, majd a H2A és H2B következik. Kialakul egy szubnukleoszómális részecske, amely 146 bázispár DNS-ből áll. A második lépés az érés, amelynek során az ATP létrehozza a nukleoszómamagok egyenletes távolságát. A következő lépésben megkezdődik a linker hisztonok hajtogatása egy 30 nm-es szerkezetű nukleofilamentumban. Az utolsó lépésben további hajtogatás történik, ami magasabb szintű pakolást eredményez. A pakolási arány körülbelül 7000.
Euchromatin vs. Heterokromatin
A kromatin két formája létezik: (1) euchromatin és (2) heterokromatin. Az euchromatin kevésbé kondenzált és átírható, míg a heterokromatin erősen kondenzált és jellemzően nem írható át. A heterokromatint tovább osztályozzák konstitutív heterokromatinra és fakultatív heterokromatinra. A konstitutív heterokromatin a szervezet minden sejtjében meglévő DNS-szekvenciák. A konstitutív heterokromatin a nagymértékben ismétlődő DNS-hez kapcsolódik. Hasonlóképpen, a fakultatív heterokromatin nem minden sejtben van jelen. Például az állatokban a béta-globint kódoló gén bizonyos sejtekben jelen van, de a vérsejtekben nem. Amint azt korábban kifejtettük, a kromatin az eukarióta sejtekben fehérjék és DNS komplexe. A nukleáris DNS nem lineáris szálak formájában létezik, hanem szorosan tömörül, és a nukleáris fehérjék köré van tekerve, hogy elférjen a sejtmagban.
A kromatin funkciója
Eredetileg a kromatint úgy tekintették, mint a sejtmag színét adó anyagot. Később kiderült, hogy nem csak egy színező anyag, hanem az egyik legfontosabb DNS-expressziós szabályozó. A kromatin szerkezete a DNS replikációjában is fontos szerepet játszik. A DNS kromatinba és nukleoszómába csomagolása egy szorosan zárt szerkezetet eredményez, amelyhez a DNS átírásáért, replikációjáért és javításáért felelős enzimek nem férnek hozzá.
A DNS szerkezet csomagolása transzkripciósan represszív, és csak egy alapszintű génexpressziót tesz lehetővé. A nyitott vagy megbomlott nukleoszóma szerkezetek esetében a DNS könnyebben replikálható és átírható.
A transzkripciós folyamat során a kromatin szerkezetét bizonyos represszorok és aktivátorok változtatják meg, amelyek az RNS-szel kölcsönhatásba lépve szabályozzák a génaktivitást. Az aktivátorok megváltoztatják a nukleoszóma szerkezetét, ami az RNS-polimeráz összeszerelésének stimulálását eredményezi. A replikáció során a kromatin szerkezetének hasonló szabályozása történik, ami lehetővé teszi, hogy a replikációs mechanizmus a replikációs origónál a helyére kerüljön.
A kromatin másik funkciója a génexpresszió szabályozása. A pozícióhatás-variáció folyamatával a gének transzkripciósan inaktívvá alakíthatók azáltal, hogy csendes heterokromatikus kromatinok közelében helyezkednek el. A csendes heterokromatin kromatinok és a gének közötti távolság akár 1000 kilobázispár is lehet. Ezt a jelenséget epigenetikusnak nevezik, mivel a fenotípusban variációt eredményez.
A tudósok azt javasolták, hogy a heterokromatin erősen kondenzált jellege megakadályozza a DNS átírását. Az azonban még nem teljesen tisztázott, hogy a szomszédos nem heterokromatikus régiókra hogyan hat ez. A kutatók megállapították, hogy a kromatinban lévő fehérjék átterjedhetnek a szomszédos régiókra, hogy hasonló elnyomó hatást fejtsenek ki. A kutatók azt is felvetették, hogy a sejtmagban lehetnek olyan, a transzkripciós faktorok számára nem hozzáférhető rekeszek, amelyekben a heterokromatin tartózkodhat. Így előfordulhat, hogy a sejtmagban lévő kromatin nem közvetlenül hozzáférhető a transzkripciós faktorok számára.
A kromatin szerkezete befolyásolja a DNS-replikációt. Például az euchromatin és a genom más aktív területei hamarabb replikálódnak. Hasonlóképpen a heterokromatinban és a körülötte lévő csendes területen is lassú a replikációs folyamat. A kromatin egyéb fontos funkcióit az alábbiakban ismertetjük.
DNS-csomagolás
A kromatin legfontosabb funkciója a hosszú DNS-szálak sokkal kisebb térbe való pakolása. A DNS lineáris hossza nagyon hosszú ahhoz képest, hogy hol helyezkedik el. Ahhoz, hogy biztonságosan, összegabalyodás és sérülés nélkül elférjen, a DNS-t valamilyen módszerrel tömöríteni kell. A DNS-nek a sejtmagba való tömörítését kondenzációnak nevezzük. Azt, hogy a DNS milyen mértékben tömörül a test belsejében, pakolási aránynak nevezzük. A DNS csomagolási aránya körülbelül 7000. Ennél a magas tömörítési aránynál a DNS nem csomagolódik közvetlenül a kromatin szerkezetébe. Inkább többféle szerveződési hierarchia létezik.
A kezdeti csomagolást a DNS nukleoszóma köré történő tekercselésével érjük el. Ez 6-os pakolási arányt ad. Ez a pakolás a heterokromatin és az euchromatin esetében is azonos. A tömörítés második szintjét a gyöngyök 30 nm-es szálba csomagolásával érjük el, amely szintén megtalálható mind a mitotikus kromoszómákban, mind az interfázisú kromatinban. Ez a csomagolás a csomagolási arányt 6-ról 40-re növeli. A tömörítés harmadik szintjét a szál további tekercselésével érjük el hurkokba, doménekbe és állványzatba. Ez a végső csomagolás a mitotikus kromoszómákban 10 000-re, az interfázisú kromatinokban pedig 1000-re növelte a pakolási arányt.
A kromoszómák a metafázisban tömörülnek a leginkább. Az eukarióta sejtek sejtosztódása során a DNS-t egyenlően kell felosztani a két leánysejt között. Ebben a fázisban a DNS erősen tömörül, és amint a sejt befejezi az osztódást, a kromoszóma ismét kitekeredik. Ha a metafázisban lévő kromoszómák hosszát a lineáris DNS-hez hasonlítjuk, a tömörítési arány akár 10 000:1 is lehet. Ezt a nagyfokú tömörödést a hiszton H1 foszforilációjával érik el.
Átírás szabályozása
A transzkripció a genetikai információ DNS-ről fehérjékre történő átvitelének folyamata. Ezt az információt ezután RNS-re írják át. Az utolsó lépés az RNS funkcionális fehérjékké történő transzlációja. A transzkripciós folyamatot a kromatin szabályozza. Ha a kromatin megerősödik és korlátozza a fehérjék leolvasásához való hozzáférést, az átírás leáll. A heterokromatin a kromatin egy sűrített típusa, amely erősen tömörített, és a fehérjék nem tudják leolvasni a DNS-t. Míg az euchromatin nem olyan szorosan csomagolt, és a fehérjék le tudják bonyolítani a DNS leírásának folyamatát. Hasonlóképpen vannak aktív és inaktív kromatinok, amelyek hozzájárulhatnak a transzkripció kitöréséhez vagy a transzkripció megszakadásához.
A transzkripció további tényezői közé tartozik a kromatinban jelen lévő transzkripciós faktor komplex társulása és disszociációja. Ezt a jelenséget tartják az izogén populációban a sejtek között előforduló nagyfokú génexpresszió-variabilitás okának.
Kromatin és DNS-javítás
Minden DNS-alapú folyamat a DNS kromatinba való csomagolásától függ. A kromatin a fehérjék dinamikus elrendeződése miatt képes változtatni alakját és szerkezetét. A DNS sérülésekor a kromatin relaxációja következik be. Ez a relaxáció lehetővé teszi a fehérjék számára, hogy a DNS-hez kötődjenek és javítsák azt.
A kromatin a mitózisban
A mitózis a sejtosztódás folyamata, amelyben a keletkező két sejt (leánysejt) ugyanolyan típusú és számú kromoszómával rendelkezik, mint a szülő sejtmag. A kromatinnak fontos funkciója van a mitózis négy lépése során.
- Profázis: Ebben a fázisban a kromatinszálak körbetekerednek, hogy kialakítsák a kromoszómákat. A replikált kromoszóma két kromatidából áll, amelyek a centromerben egyesülnek.
- Metafázis: Ebben a fázisban a kromatin rendkívüli mértékben kondenzálódik
- Anafázis: Ebben a fázisban az orsó mikrotubulusai a két azonos kromoszómát a sejtek végéhez húzzák és szétválasztják őket.
- Telofázis: Ebben a fázisban az új kromoszómák szétválnak a saját sejtmagjukba. Ekkor a kromatinrostok a kitekeredés révén kevésbé kondenzálódnak. Két azonos sejt keletkezik, azonos számú kromoszómával.
Kromatin, kromoszóma és kromatid
Bár mindhárom szerkezet, ill. a kromatin, a kromoszóma és a kromatidák a sejtmagban vannak jelen és DNS-ből állnak, mégis egyedileg azonosítják őket az alábbiak szerint:
A kromatin vs. Kromoszóma
A fő különbség a kromatin és a kromoszómák között az, hogy a kromatin DNS-ből és hisztonokból áll, amelyek rostba vannak csomagolva, míg a kromoszóma a kondenzált kromatin egyszálú formája. A kromoszóma szerkezete a kromatin finom rostján alapul. Míg a kromatin funkcióit fentebb ismertettük, a kromoszómák működése létfontosságú a mutáció, a regeneráció, a sejtosztódás, a variáció és az öröklődés során. Ráadásul a sejtosztódás során a kromatin kromoszómává kondenzálódik, és a kromoszóma kétszálú, X alakú. A két szál a centroméra nevű régión keresztül kapcsolódik a középponthoz.
Hol helyezkednek el a kromoszómák a sejtben?
A kromoszómák az eukarióta sejtek sejtmagjában találhatók. Prokariótákban a kromoszóma jellemzően egyetlen stabil kromoszómális DNS-hurok a nukleoidban, pl. egy baktériumsejtben. A prokarióta DNS nem-hisztonfehérjékhez kapcsolódik. A vírusokban szintén nincs sejtmag, így a kromoszóma rövid, lineáris vagy kör alakú, DNS- vagy RNS-molekulából álló, gyakran semmilyen szerkezeti fehérjét nem tartalmazó szerkezetként jelenhet meg, amelyet egy burok vagy a fejét alkotó kapszid vesz körül.
Mi a kapcsolat a kromatin és a kromoszómák között?
A kromatin és a kromoszóma közötti kapcsolat az, hogy a kromatin a továbbiakban kondenzáción megy keresztül, hogy kromoszómát alkosson. A kromoszóma DNS-csomagolási aránya nagyobb, mint a kromatiné.
Kromatin vs. kromatid
A kromoszómáknak két szála van. A kromoszóma egyetlen szálát kromatidának nevezzük. Ezek a kromatidák a sejtosztódás végén szétválnak, és leánykromoszómákká alakulnak. A kromatin tehát teljesen különbözik a kromatidától, mert a kromatin fő elemei a DNS és a hozzá kapcsolódó fehérjék szálak formájában, míg a kromatid a kromoszóma része. Igen, a kromatid kromatint tartalmaz.
Kromatin vs. nukleoszóma
A nukleoszóma a DNS-nek az a része, amely a fehérjék magja köré van tekerve. A kromatin a DNS fehérjékkel alkotott komplexe, és segít a DNS kondenzációjában a sejtmagba való pakoláshoz.
- Anthony T. Annunziato. 2008. “DNS-csomagolás: Nukleoszómák és kromatin.” 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 és Peter B Becker. 2020. “Gyöngyök egy húron – nukleoszóma elrendeződések és a kromatinszálak összehajlása”. Nature Structural & Molecular Biology 27 (2): 109-18.
- Kreatív diagnosztika. 2017. “A kromatin szerkezete és működése”. 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
- Jansen, A. és 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, and Laura Buttitta. 2015. “How the Cell Cycle Impacts Chromatin Architecture and Influences Cell Fate” (Hogyan befolyásolja a sejtciklus a kromatin architektúrát és a sejtsorsot). Frontiers in Genetics 6: 19.
- Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion, and Marc A Marti-Renom. 2017. “A Hi-C adatok automatikus elemzése és 3D-modellezése a TADbit segítségével feltárja a légy kromatinszínek strukturális jellemzőit”. PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.