Chromatine
n., meervoud: chromatinen
Definitie: Een complex van nucleïnezuren (bijv. DNA of RNA) en eiwitten (bijv. histonen)
Inhoudsopgave
Chromatine Definitie
Wat is chromatine in een cel? Chromatine is een complex van nucleïnezuren (b.v. DNA of RNA) en eiwitten (b.v. histonen). Het werd in 1882 geïdentificeerd. Aanvankelijk werd het gezien als slechts een gekleurde substantie in een celkern, later bleek echter dat chromatine wordt gekarakteriseerd als eiwitten die aan DNA vastzitten, en werd DNA geïdentificeerd als de drager van genetische informatie (Ma, Kanakousaki, en Buttitta 2015). We kunnen chromatine dus definiëren als een substantie die bestaat uit DNA en geassocieerde eiwitten (bekend als histonen).
Wat zijn histonen?
Histonen zijn positief geladen basiseiwitten die zich binden aan negatief geladen fosfaatmoleculen van het DNA. Er zijn twee belangrijke elementen in een chromatine d.w.z. het DNA van de cel en geassocieerde eiwitten. De geassocieerde eiwitten staan bekend als histonen. Of we kunnen zeggen dat chromatine eiwitten bevat die histonen worden genoemd.
Chromatine is een verpakkingsmateriaal voor DNA. Als het niet goed verpakt is, kan het om zichzelf heen gaan klitten of beschadigd raken tijdens de celdeling. De grootte van cellen is in micrometers en een DNA kan wel 3 meter lang zijn. Om zo’n lange structuur in een cel van een micrometer te krijgen, is een strakke verpakking nodig.
Wat is nucleosoom?
Een DNA-molecuul wikkelt zich rond de histon-eiwitten om strakke lussen te maken die nucleosomen worden genoemd.
De nucleosomen rollen zich op en worden samengebundeld om een soort vezel te vormen die chromatinevezel wordt genoemd. Deze chromatinen, op hun beurt, maken ook lussen en vouwen rond met de hulp van eiwitten om een chromosoom te produceren. Dat is de reden waarom een chromosoom bekend staat als drager van een deel of al het genetisch materiaal van een organisme. Zodra het DNA tot een chromosoom is gecondenseerd, is het beschermd door zijn strak omwonden structuur. Meer details over de structuur zijn te vinden in dit hoofdstuk: Chromatine Structuur.
Chromatine speelt ook een vitale rol bij het reguleren van de overdracht van genetische informatie. Voordat we chromatine technisch definiëren, moeten we begrijpen wat het is. Laten we naar het volgende diagram kijken om chromatinen te begrijpen:
Waar wordt chromatine gevonden?
Waar bevindt het chromatine zich? In eukaryote cellen bevindt het chromatine zich in de celkern. Hier is een illustratie die u zal helpen begrijpen zijn locatie binnen de celkern.
Genen in chromatine
De genen die in chromatine aanwezig zijn, kunnen uit- of aangezet worden. Dit betekent dat in sommige cellen een bepaald deel van het gen actief is (“ingeschakeld”) en het andere deel niet (“uitgeschakeld”). Wat regelt deze complexe informatie van genen tot eiwitten en mRNA? Ja, het is het chromatine.
Om dit te valideren, gebruikten de onderzoekers fruitvlieg als modelorganisme om de aan- en uit-toestand van de genen in het chromatine te bestuderen. Het resultaat van hun studie identificeerde 5 verschillende types chromatine beschreven door de unieke aanwezigheid van eiwitten.
Deze vijf types werden vervolgens benoemd als kleuren: Groen, Geel, Zwart, Blauw, en Rood. Zwart was totaal inactief, groen en blauw waren gedeeltelijk actief, en geel en rood waren volledig actieve genen in het chromatine. Zij ontdekten dat de genen in het gele chromatine in bijna alle cellen waren ingeschakeld omdat zij de vitale functies van de cellen regelden. Rode chromatines werden in sommige specifieke cellen ingeschakeld omdat ze meer specifieke functies regelden (Serra et al., 2017).
Chromatine Structuur
Histon-eiwit en DNA hebben een gelijke massa in eukaryotisch chromatine (hoewel er ook cellen zijn met in plaats daarvan niet-histon-eiwitten). Het nucleosoom is de structurele eenheid van chromatine, dat op zijn beurt bestaat uit DNA en (al dan niet histon-)eiwitten. Deze structuur wordt overal in het genetisch materiaal van een organisme herhaald. De structuur van chromatine verpakt in een hogere-ordestructuur is hieronder weergegeven.
Wat wordt bedoeld met het “kralen aan een touwtje”-model van chromatine?
Het DNA en de histon-eiwitten zorgen voor het eerste niveau van verdichting van het DNA binnen de kern. De basiseenheid van de structuur van chromatine is het nucleosoom. Een nucleosoom wordt gevormd wanneer DNA rond histonen (de eiwitkern) wordt gewikkeld om een “kraalachtige” structuur te vormen. Deze kraalachtige structuur wordt nucleosoom genoemd. In figuur 3, de tweede van boven, is de “kralen-op-een-koord”-vorm van chromatine. Het nucleosoom is een complex van 146 basenparen DNA en is omgeven door 8 eiwitten, namelijk histonen. Dus DNA gewikkeld rond histonen vormt een nucleosoom.
Er zijn vijf verschillende soorten histonen, namelijk H1, H2A, H2B, H3, en H4. Een histon-kern wordt gevormd wanneer twee H2A- en H2B-eiwitten zich combineren met H3- en H4-eiwitten. Ongeveer 145 basenparen DNA worden tweemaal rond deze eiwitstructuur gewikkeld om een nucleosoom te vormen. De lengte van het linker-DNA kan variëren naar gelang van de genactiviteit van de soort en kan variëren van 10 tot 95 basenparen. Na elke 200 basenparen is er een nucleosoom met een lengte van 10 nm.
Als men het chromatine door een microscoop bekijkt, ziet het eruit als kralen die in een koord passen. Deze kralen staan bekend als nucleosomen. Het nucleosoom zelf bestaat uit acht eiwitten die histonen worden genoemd. De nucleosomen vormen een solenoïde door zich in een spiraal van 30 nm te wikkelen. In deze solenoïde helpen extra histon-eiwitten de chromatinestructuur te vormen. Het chromatine condenseert tot chromosomen door de toenemende compacte structuur (Baldi, Korber, en Becker 2020).
Wat is de relatie tussen DNA en chromatine?
Chromatine is de verpakking van DNA. DNA en geassocieerde eiwitten worden verpakt binnen chromatine om te passen binnen een kern.
Hoe DNA wordt geassembleerd in chromatine structuur?
Er zijn verschillende stappen betrokken bij de assemblage van DNA in het chromatine. In de eerste stap zetten de eiwitten H3e en H4 zich af op het DNA, gevolgd door H2A en H2B. Er wordt een sub-nucleosomaal deeltje gevormd dat bestaat uit 146 basenparen DNA. De tweede stap is de rijping, waarbij ATP een consistente afstand tussen de nucleosoomkernen tot stand brengt. In de volgende stap wordt begonnen met het vouwen van linker histonen in een nucleofilament van 30 nm structuur. In de laatste stap vindt verdere vouwing plaats die leidt tot een hoger niveau van pakking. De pakkingsgraad bedraagt ongeveer 7000.
Euchromatine vs. Heterochromatine
Er zijn twee vormen van chromatine: (1) euchromatine en (2) heterochromatine. Euchromatine is minder gecondenseerd en kan worden getranscribeerd, terwijl heterochromatine sterk gecondenseerd is en doorgaans niet kan worden getranscribeerd. Het heterochromatine wordt verder ingedeeld in constitutief heterochromatine en facultatief heterochromatine. De constitutieve heterochromatine is de DNA-sequentie die in alle cellen van een organisme voorkomt. Het constitutieve heterochromatine is gerelateerd aan sterk herhaald DNA. Evenzo is facultatieve heterochromatine niet in alle cellen aanwezig. Zo is het gen dat codeert voor beta-globine bij dieren aanwezig in bepaalde cellen, maar niet in bloedcellen. Zoals eerder uitgelegd, is chromatine een complex van eiwitten en DNA in eukaryote cellen. Het kern-DNA bestaat niet als lineaire strengen, maar is strak gecondenseerd en om kernproteïnen gewikkeld, zodat het in de kern past.
Chromatine Functie
In eerste instantie werd chromatine beschouwd als de stof die kleur geeft aan de celkern. Later werd ontdekt dat het niet alleen een kleurstof is, maar een van de belangrijkste regulatoren van de DNA-expressie is. De chromatinestructuur speelt ook een belangrijke rol bij de replicatie van DNA. De verpakking van DNA in chromatine en nucleosoom resulteert in een strak gesloten structuur die niet toegankelijk is voor enzymen die verantwoordelijk zijn voor transcriptie, replicatie en reparatie van DNA.
De verpakking van de DNA-structuur is transcriptioneel repressief en staat alleen een basaal niveau van genexpressie toe. Voor nucleosoomstructuren die open of verstoord zijn, kan het DNA gemakkelijker worden gerepliceerd en getranscribeerd.
Tijdens het transcriptieproces wordt de chromatinestructuur veranderd door sommige repressors en activators die met RNA interageren om de genactiviteit te reguleren. Activatoren veranderen de nucleosoomstructuur, waardoor de assemblage van RNA-polymerase wordt gestimuleerd. Tijdens de replicatie vindt een soortgelijke regulatie van de chromatinestructuur plaats, waardoor het replicatiemechanisme op zijn plaats kan zijn bij de oorsprong van de replicatie.
Een andere functie van chromatine is in de regulatie van de genexpressie. Met behulp van het proces van positie-effect variegatie kunnen de genen worden omgezet in transcriptioneel inactief door ze te lokaliseren in de buurt van stille heterochromatische chromatines. De afstand tussen stille heterochromatinechromatines en genen kan tot 1000 kilobaseparen bedragen. Dit fenomeen wordt epigenetisch genoemd omdat het variatie in het fenotype veroorzaakt.
Wetenschappers stelden dat de sterk gecondenseerde aard van heterochromatine de transcriptie van DNA verhindert. Het is echter nog niet volledig begrepen hoe de aangrenzende niet-heterochromatische regio’s worden beïnvloed. De onderzoekers ontdekten dat eiwitten in chromatine zich kunnen verspreiden naar naburige regio’s om een soortgelijk repressief effect te produceren. De onderzoekers stelden ook voor dat er bepaalde compartimenten in de kern kunnen zijn die niet toegankelijk zijn voor transcriptiefactoren, waarin heterochromatine zich zou kunnen bevinden. Het is dus mogelijk dat het chromatine in de kern niet rechtstreeks toegankelijk is voor transcriptiefactoren.
De structuur van chromatine beïnvloedt de DNA-replicatie. Bijvoorbeeld, het euchromatine en andere actieve gebieden van het genoom repliceren eerder. Evenzo verloopt het replicatieproces in het heterochromatine en het stille gebied eromheen ook traag. Andere belangrijke functies van chromatine worden hieronder beschreven.
DNA-verpakking
De belangrijkste functie van chromatine is het verpakken van lange DNA-strengen in een veel kleinere ruimte. De lineaire lengte van DNA is zeer lang in vergelijking met de plaats waar het zich bevindt. Om veilig te kunnen passen zonder in de knoop te raken of beschadigd te raken, moet het DNA op de een of andere manier worden samengeperst. De verdichting van DNA in de celkern wordt condensatie genoemd. De mate waarin DNA in een lichaam wordt samengedrukt, wordt de pakkingsgraad genoemd. De pakkingsratio van DNA is ongeveer 7000. Voor dit hoge niveau van verdichting wordt DNA niet rechtstreeks verpakt in de structuur van chromatine. In plaats daarvan zijn er verschillende hiërarchieën van organisatie.
De eerste verpakking wordt bereikt door DNA rond het nucleosoom te wikkelen. Dit geeft een pakkingsratio van 6. Deze pakking is hetzelfde voor zowel heterochromatine als euchromatine. Het tweede niveau van verdichting wordt bereikt door de korrels te wikkelen in een vezel van 30 nm die ook wordt aangetroffen in zowel mitotische chromosomen als chromatine in de interfase. Deze wikkeling verhoogt de pakkingsratio van 6 tot 40. De derde fase van de verdichting wordt bereikt door verdere wikkeling van de vezel in lussen, domeinen, en scaffolds. Deze laatste verpakking verhoogt de pakkingsratio tot 10.000 in mitotische chromosomen en 1000 in interfase chromatinen.
Chromosomen zijn het meest samengedrukt tijdens de metafase. Tijdens de celdeling van eukaryote cellen moet het DNA gelijk verdeeld worden over twee dochtercellen. Tijdens deze fase is het DNA sterk samengedrukt en zodra de cel de deling heeft voltooid, ontrolt het chromosoom zich weer. Wanneer de lengte van chromosomen in de metafase wordt vergeleken met lineair DNA, kan de verdichtingsgraad oplopen tot 10.000:1. Deze hoge mate van verdichting wordt bereikt door fosforylering van histon H1.
Transcriptieregulatie
Transcriptie is het proces van overdracht van genetische informatie van DNA naar eiwitten. Deze informatie wordt vervolgens getranscribeerd in RNA. De laatste stap is de vertaling van RNA in functionele eiwitten. Het transcriptieproces wordt gecontroleerd door chromatine. Als het chromatine wordt versterkt en de toegang tot het lezen van de eiwitten beperkt, stopt de transcriptie. Het heterochromatine is een gecondenseerd type chromatine dat sterk opeengepakt is en waardoor eiwitten het DNA niet kunnen lezen. Terwijl het euchromatine niet zo dicht opeengepakt is en eiwitten het proces van DNA-beschrijving kunnen uitvoeren. Evenzo zijn er actieve en inactieve chromatines die kunnen bijdragen tot transcriptionele bursting of discontinuïteit van de transcriptie.
Andere factoren in de transcriptie omvatten associatie en dissociatie van transcriptiefactorcomplex aanwezig in chromatine. Dit fenomeen wordt beschouwd als de reden voor de grote variabiliteit in genexpressie die optreedt tussen cellen in de isogene populatie.
Chromatine en DNA-reparatie
Alle op DNA gebaseerde processen zijn afhankelijk van de verpakking van DNA in het chromatine. Chromatine heeft het vermogen om van vorm en structuur te veranderen door de dynamische rangschikking van eiwitten. Wanneer DNA beschadigd is, wordt het chromatine ontspannen. Deze ontspanning stelt de eiwitten in staat zich aan het DNA te binden en het te repareren.
Chromatine in Mitose
Mitose is het proces van celdeling waarbij de resulterende twee cellen (dochtercellen) hetzelfde type en aantal chromosomen hebben als de moederkern. Chromatine heeft een belangrijke functie tijdens de vier stappen van mitose.
- Prophase: Tijdens deze fase wikkelen de chromatinevezels zich om de chromosomen te vormen. Het gerepliceerde chromosoom bestaat uit twee chromatiden die bij het centromeer zijn gecombineerd.
- Metafase: Tijdens deze fase condenseert het chromatine extreem
- Anafase: Tijdens deze fase trekken de spindelmicrotubuli de twee identieke chromosomen naar het einde van de cellen en scheiden ze.
- Telofase: In deze fase worden de nieuwe chromosomen gescheiden in hun eigen kern. Op dit punt worden de chromatinevezels minder gecondenseerd door af te wikkelen. Er worden twee identieke cellen geproduceerd met hetzelfde aantal chromosomen.
Chromatine, Chromosoom, en Chromatide
Hoewel alle drie de structuren d.w.z. chromatine, chromosomen, en chromatiden aanwezig zijn in de kern van de cel en zijn samengesteld uit DNA, zijn ze echter uniek geïdentificeerd zoals hieronder beschreven:
Chromatine vs. Chromosoom
Het grote verschil tussen chromatine en chromosomen is dat chromatine is samengesteld uit DNA en histonen die tot een vezel zijn samengepakt, terwijl een chromosoom een enkelstrengs vorm van gecondenseerd chromatine is. De chromosoomstructuur is gebaseerd op de fijne vezel van chromatine. Hoewel de chromatinefuncties hierboven zijn beschreven, is de functie van chromosomen van vitaal belang bij mutatie, regeneratie, celdeling, variatie en erfelijkheid. Bovendien condenseert chromatine tijdens de celdeling tot een chromosoom en is het chromosoom dubbelstrengs met een X-vorm. De twee strengen zijn met het centrum verbonden via een gebied dat centromeer wordt genoemd.
Waar in de cel bevinden zich chromosomen?
De chromosomen bevinden zich in de kern van een eukaryote cel. Bij prokaryoten is het chromosoom typisch een enkele lus van stabiel chromosomaal DNA in de nucleoïde, b.v. van een bacteriecel. Prokaryotisch DNA is geassocieerd met niet-histonale eiwitten. Bij virussen is er evenmin een kern, zodat het chromosoom kan verschijnen als een korte lineaire of cirkelvormige structuur van DNA- of RNA-molecuul, vaak zonder structurele eiwitten, omhuld door een omhulsel of een capside van de kop.
Wat is de relatie tussen chromatine en chromosomen?
De relatie tussen chromatine en chromosoom is dat chromatine verder condenseert om een chromosoom te vormen. Een chromosoom DNA verpakking ratio is hoger dan chromatine.
Chromatine vs chromatide
Er zijn twee strengen van chromosomen. De enkele streng van het chromosoom wordt een chromatide genoemd. Deze chromatiden scheiden zich aan het einde van de celdeling en worden dochterchromosomen. Chromatine is dus iets heel anders dan chromatide, want de belangrijkste elementen van chromatine zijn DNA en bijbehorende eiwitten in de vorm van vezels, terwijl chromatide een deel van het chromosoom is. Ja, het chromatide bevat chromatine.
Chromatine vs. nucleosoom
Het nucleosoom is het deel van het DNA dat om de kern van eiwitten is gewikkeld. Chromatine is het DNA-complex met eiwitten en helpt bij de DNA-condensatie voor het inpakken in de kern.
- Anthony T. Annunziato. 2008. “DNA verpakking: 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, and Peter B Becker. 2020. “Beads on a String-Nucleosome Array Arrangements and Folding of the Chromatin Fiber.” Nature Structural & Molecular Biology 27 (2): 109-18.
- Creative-diagnostics. 2017. “De Structuur en Functie van Chromatine.” 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
- Jansen, A., en 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.” Frontiers in Genetics 6: 19.
- Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion, and Marc A Marti-Renom. 2017. “Automatische Analyse en 3D-Modellering van Hi-C Data met behulp van TADbit Onthult Structurele Kenmerken van de Vlieg Chromatine Kleuren.” PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.