Chromatyna

Chromatyna
n., liczba mnoga: chromatyny

Definicja: Kompleks kwasów nukleinowych (np. DNA lub RNA) i białek (np. histonów)

Definicja chromatyny

Czym jest chromatyna w komórce? Chromatyna jest kompleksem kwasów nukleinowych (np. DNA lub RNA) i białek (np. histonów). Została zidentyfikowana w 1882 roku. Początkowo uważano ją jedynie za kolorową substancję w jądrze komórkowym, jednak później stwierdzono, że chromatyna charakteryzuje się jako białka przyłączone do DNA, a DNA zostało zidentyfikowane jako nośnik informacji genetycznej (Ma, Kanakousaki, i Buttitta 2015). Możemy więc zdefiniować chromatynę jako substancję składającą się z DNA i związanych z nim białek (znanych jako histony).

Czym są histony?

Histony są dodatnio naładowanymi białkami podstawowymi, które wiążą się z ujemnie naładowanymi cząsteczkami fosforanowymi DNA. Istnieją dwa główne elementy w chromatynie, tj. DNA komórki i związane z nim białka. Białka towarzyszące są znane jako histony. Lub możemy powiedzieć, że chromatyna zawiera białka o nazwie histones.

Chromatyna jest materiałem opakowania dla DNA. Jeśli nie pakowane dobrze, może zaplątać się wokół siebie lub ulec uszkodzeniu podczas podziału komórki. Rozmiar komórek jest w mikrometrach i DNA może być tak długi, jak 3 metry. Aby zmieścić tak długą strukturę w mikrometrowej komórce, wymagane jest ciasne upakowanie.

Co to jest nukleosom?

Cząsteczka DNA owija się wokół białek histonowych, tworząc ciasne pętle znane jako nukleosomy.

Nukleosomy zwijają się i są wiązane razem, tworząc rodzaj włókna znanego jako włókno chromatyny. Te chromatyny, z kolei, również pętli i złożyć wokół z pomocą białek do produkcji chromosomu. To dlatego chromosom jest znany jako nośnik części lub całości materiału genetycznego organizmu. Po skondensowaniu DNA w chromosomie jest on teraz chroniony dzięki swojej ściśle zwiniętej strukturze. Więcej szczegółów na temat jego struktury znajduje się w tej sekcji: Struktura chromatyny.

Chromatyna odgrywa również istotną rolę podczas regulacji przekazywania informacji genetycznej. Przed technicznym zdefiniowaniem chromatyny, zrozummy czym ona jest. Spójrzmy na poniższy schemat, aby zrozumieć chromatyny:

Gdzie znajduje się chromatyna?

Gdzie znajduje się chromatyna? W komórkach eukariotycznych chromatyna znajduje się w jądrze komórkowym. Oto ilustracja, która pomoże Ci zrozumieć jej lokalizację w obrębie jądra komórkowego.

Geny w chromatynie

Geny obecne w chromatynie mogą być albo wyłączone, albo włączone. Oznacza to, że w niektórych komórkach pewna część genu jest aktywna („włączona”), podczas gdy inna nie jest („wyłączona”). Co reguluje tę złożoną informację od genów do białek i mRNA? Tak, to chromatyna.

Aby to potwierdzić, naukowcy wykorzystali muszkę owocową jako organizm modelowy do badania stanu włączonego i wyłączonego genów w chromatynie. Wynik ich badań zidentyfikował 5 odrębnych typów chromatyny opisanych przez unikalną obecność protein.

Te pięć typów zostały następnie nazwane jako kolory: Zielony, Żółty, Czarny, Niebieski i Czerwony. Czarny był całkowicie nieaktywny, zielony i niebieski były częściowo aktywne, a żółty i czerwony były w pełni aktywne geny w chromatynie. Odkryli, że geny w żółtej chromatynie były włączone w prawie wszystkich komórkach, ponieważ regulowały one funkcje życiowe komórek. Czerwone chromatyny były włączone w niektórych określonych komórkach, ponieważ regulowały bardziej specyficzne funkcje (Serra i in., 2017).

Struktura chromatyny

Białka histonowe i DNA mają równą masę w chromatynie eukariotycznej (choć są też komórki, w których zamiast nich występują białka niehistonowe). Nukleosom jest jednostką strukturalną chromatyny, która z kolei składa się z DNA i (histonowych lub niehistonowych) białek. Struktura ta powtarza się w całym materiale genetycznym organizmu. Struktura chromatyny upakowanej w strukturę wyższego rzędu przedstawiona jest poniżej.

Co oznacza model „koralików na sznurku” chromatyny?

Białka DNA i histony zapewniają pierwszy poziom zagęszczenia DNA wewnątrz jądra. Podstawową jednostką struktury chromatyny jest nukleosom. Nukleosom jest utworzony, gdy DNA jest owinięty wokół histonów (rdzeń białka), aby utworzyć „koralik-jak” struktury. Ta przypominająca paciorki struktura znana jest jako nukleosom. Na rysunku 3, druga od góry forma chromatyny to „koraliki na sznurku”. Nukleosom jest kompleksem 146 par zasad DNA i jest nawinięty z zewnątrz na 8 białek, tj. histonów. Tak więc, DNA owinięte wokół histonów tworzy nukleosom.

Istnieje pięć różnych typów histonów, a mianowicie H1, H2A, H2B, H3, i H4. Rdzeń histonu jest wytwarzany, gdy dwa H2A i H2B łączą się z białkami H3 i H4. Około 145 par zasad DNA jest dwukrotnie owijanych wokół tej struktury białkowej, tworząc nukleosom. Długość linkera DNA może się różnić w zależności od aktywności genów danego gatunku i może wynosić od 10 do 95 par zasad. Istnieje nukleosom po każdym 200 par zasad i jego długość była 10 nm.

Po spojrzeniu przez mikroskop, chromatyna wygląda jak koraliki dopasowane w ciągu. Te koraliki są znane jako nukleosomy. Sam nukleosom składa się z ośmiu białek zwanych histonami. Nukleosomy tworzą solenoid, zawijając się w spiralę o średnicy 30nm. W tym solenoidzie dodatkowe białka histonowe pomagają utworzyć strukturę chromatyny. Chromatyna kondensuje w chromosomy dzięki rosnącej zwartej strukturze (Baldi, Korber, i Becker 2020).

Jaki jest związek między DNA i chromatyną?

Chromatyna jest opakowaniem DNA. DNA i związane z nim białka są pakowane wewnątrz chromatyny, aby zmieścić się wewnątrz jądra.

Jak DNA jest składane w strukturze chromatyny?

W składaniu DNA w chromatynie bierze udział kilka etapów. W pierwszym etapie białka H3e i H4 osadzają się na DNA, a następnie H2A i H2B. Powstaje cząsteczka subnukleosomalna składająca się z 146 par zasad DNA. Drugim etapem jest dojrzewanie, w którym ATP ustala stałe odstępy między rdzeniami nukleosomów. W kolejnym etapie rozpoczyna się fałdowanie histonów łącznikowych w nukleofilament o strukturze 30 nm. W ostatnim etapie następuje dalsze fałdowanie prowadzące do zwiększenia stopnia upakowania. Współczynnik upakowania wynosi około 7000.

Euchromatyna vs. Heterochromatyna

Istnieją dwie formy chromatyny: (1) euchromatyna i (2) heterochromatyna. Euchromatyna jest mniej skondensowana i może być transkrybowana, podczas gdy heterochromatyna jest bardzo skondensowana i zazwyczaj nie może być transkrybowana. Heterochromatyna jest dalej klasyfikowana jako heterochromatyna konstytutywna i heterochromatyna fakultatywna. Heterochromatyna konstytutywna to sekwencje DNA występujące we wszystkich komórkach organizmu. Heterochromatyna konstytutywna związana jest z wysoce powtarzalnym DNA. Podobnie, heterochromatyna fakultatywna nie jest obecna we wszystkich komórkach. Na przykład, gen kodujący beta-globinę u zwierząt jest obecny w niektórych komórkach, ale nie w komórkach krwi. Jak wyjaśniono wcześniej, chromatyna jest kompleksem białek i DNA w komórkach eukariotycznych. Jądrowe DNA nie istnieje jako liniowe pasma, ale jest ściśle skondensowane i owinięte wokół białek jądrowych tak, że może zmieścić się w jądrze.

Chromatyna Function

Początkowo chromatyna była uważana za substancję, która daje kolor do jądra komórkowego. Później okazało się, że nie jest to tylko substancja barwiąca, ale jest jednym z najważniejszych regulatorów ekspresji DNA. Struktura chromatyny pełni również ważną rolę w procesie replikacji DNA. Pakowanie DNA w chromatynie i nukleosomie powoduje powstanie ściśle zamkniętej struktury, do której nie mają dostępu enzymy odpowiedzialne za transkrypcję, replikację i naprawę DNA.

Pakowanie struktury DNA jest represyjne transkrypcyjnie i pozwala tylko na podstawowy poziom ekspresji genów. Dla struktur nukleosomów, które są otwarte lub zaburzone, DNA może być łatwiej replikowane i transkrybowane.

Podczas procesu transkrypcji, struktura chromatyny jest zmieniana przez niektóre represory i aktywatory, które współdziałają z RNA w celu regulacji aktywności genu. Aktywatory zmieniają strukturę nukleosomów, co prowadzi do stymulacji składania polimerazy RNA. Podczas replikacji dochodzi do podobnej regulacji struktury chromatyny, co pozwala na umieszczenie mechanizmu replikacyjnego w miejscu pochodzenia replikacji.

Inną funkcją chromatyny jest regulacja ekspresji genów. Wykorzystując proces wariacji efektu pozycji, geny mogą być przekształcone w nieaktywne transkrypcyjnie poprzez umieszczenie ich w pobliżu niemych heterochromatycznych chromatyn. Odległość pomiędzy cichymi chromatynami heterochromatycznymi a genami może wynosić nawet do 1000 par kilobazowych. Zjawisko to określane jest jako epigenetyczne, ponieważ powoduje zmienność fenotypu.

Naukowcy zaproponowali, że wysoce skondensowana natura heterochromatyny zapobiega transkrypcji DNA. Jednak nie jest to jeszcze w pełni zrozumiałe, jak sąsiednie nieheterochromatyczne regiony są dotknięte. Naukowcy odkryli, że białka w chromatynie mogą rozprzestrzeniać się do sąsiednich regionów, aby wywołać podobny efekt represyjny. Badacze zaproponowali również, że w j±drze mog± znajdować się pewne przedziały, które nie s± dostępne dla czynników transkrypcyjnych, w których może przebywać heterochromatyna. Tak więc, chromatyna w jądrze może nie być bezpośrednio dostępna dla czynników transkrypcyjnych.

Struktura chromatyny wpływa na replikację DNA. Na przykład, euchromatyna i inne aktywne obszary genomu replikują się wcześniej. Podobnie, w heterochromatynie i cichym obszarze wokół niej, proces replikacji jest również powolny. Inne ważne funkcje chromatyny zostały opisane poniżej.

Pakowanie DNA

Najważniejszą funkcją chromatyny jest upakowanie długich nici DNA w znacznie mniejszą przestrzeń. Długość liniowa DNA jest bardzo długa w porównaniu z miejscem, w którym przebywa. Aby zmieścić się bezpiecznie i pewnie bez splątania lub uszkodzenia, DNA musi być zagęszczony przez jakąś metodę. Zagęszczanie DNA w jądrze jest określane jako kondensacja. Stopień, w jakim DNA jest skondensowane wewnątrz ciała, nazywany jest współczynnikiem upakowania. Współczynnik upakowania DNA wynosi około 7000. Aby uzyskać tak wysoki stopień zagęszczenia, DNA nie jest upakowane bezpośrednio w strukturę chromatyny. Raczej istnieje kilka hierarchii organizacji.

Początkowe upakowanie jest osiągane przez owijanie DNA wokół nukleosomu. Daje to współczynnik upakowania 6. To upakowanie jest takie samo zarówno dla heterochromatyny, jak i euchromatyny. Drugi poziom upakowania uzyskuje się poprzez owinięcie kulek 30 nm włóknem, które znajduje się zarówno w chromosomach mitotycznych, jak i w chromatynie interfazowej. Owijanie to zwiększa współczynnik upakowania z 6 do 40. Trzeci etap zagęszczania osiąga się poprzez dalsze zwijanie włókien w pętle, domeny i rusztowania. To ostateczne upakowanie zwiększyło współczynnik upakowania do 10 000 w chromosomach mitotycznych i 1000 w chromatynach interfazowych.

Chromosomy są najbardziej skompresowane podczas metafazy. Podczas podziału komórek eukariotycznych, DNA musi zostać równo podzielone na dwie komórki córki. Podczas tej fazy DNA jest silnie zagęszczone, a gdy komórka zakończy podział, chromosom ponownie się rozwija. Gdy długość chromosomów metafazowych porówna się z długością liniowego DNA, stosunek upakowania może wynosić nawet 10 000:1. Ten wysoki poziom upakowania jest osiągany dzięki fosforylacji histonu H1.

Regulacja transkrypcji

Transkrypcja to proces przenoszenia informacji genetycznej z DNA na białka. Informacja ta jest następnie przepisywana na RNA. Ostatnim etapem jest translacja RNA do funkcjonalnych białek. Proces transkrypcji jest kontrolowany przez chromatynę. Jeśli chromatyna zostanie wzmocniona i ograniczy dostęp do odczytu białek, transkrypcja zostanie zatrzymana. Heterochromatyna jest skondensowanym typem chromatyny, która jest bardzo upakowana i białka nie mogą odczytać DNA. Podczas gdy euchromatyna nie jest tak ciasno upakowana i białka mogą przeprowadzać proces opisu DNA. Podobnie, istnieją aktywne i nieaktywne chromatyny, które mogą przyczynić się do rozerwania transkrypcji lub przerwania transkrypcji.

Inne czynniki w transkrypcji obejmują stowarzyszenie i dysocjację kompleksu czynnika transkrypcyjnego obecnego w chromatynie. Zjawisko to jest uważane za przyczynę wysokiej zmienności w ekspresji genów, która występuje między komórkami w populacji izogenicznej.

Chromatyna i naprawa DNA

Wszystkie procesy oparte na DNA zależą od pakowania DNA w chromatynie. Chromatyna ma zdolność do zmiany swojego kształtu i struktury z powodu dynamicznego układu białek. Kiedy DNA jest uszkodzony, chromatyna relaksacji występuje. To rozluźnienie pozwala białkom wiązać się z DNA i go naprawić.

Chromatyna w mitozie

Mitoza jest procesem podziału komórkowego, w którym powstałe dwie komórki (komórki potomne) mają ten sam typ i liczbę chromosomów jak jądro macierzyste. Chromatyna pełni ważną funkcję podczas czterech etapów mitozy.

• Faza proliferacji: Podczas tej fazy włókna chromatyny owijają się, tworząc chromosomy. Replikowany chromosom składa się z dwóch chromatyd połączonych w centromerze.
• Metafaza: Podczas tej fazy chromatyna niezwykle się kondensuje
• Anafaza: Podczas tej fazy mikrotubule wrzeciona przyciągają dwa identyczne chromosomy do końca komórki i rozdzielają je.
• Telofaza: W tej fazie nowe chromosomy zostają rozdzielone do własnego jądra. W tym momencie, włókna chromatyny stają się mniej skondensowane przez rozwijanie. Powstają dwie identyczne komórki z taką samą liczbą chromosomów.

Chromatyna, chromosom, i chromatydy

Although wszystkie trzy struktury tj. chromatyna, chromosomy i chromatydy są obecne w jądrze komórki i składają się z DNA, jednak są one jednoznacznie zidentyfikowane, jak opisano poniżej:

Chromatyna vs. Chromosom

Główną różnicą między chromatyną a chromosomami jest to, że chromatyna składa się z DNA i histonów, które są upakowane we włókno, podczas gdy chromosom jest jednoniciową formą skondensowanej chromatyny. Struktura chromosomu opiera się na delikatnym włóknie chromatyny. Podczas gdy funkcje chromatyny zostały opisane powyżej, funkcja chromosomów jest istotna podczas mutacji, regeneracji, podziału komórek, zmienności i dziedziczności. Ponadto, podczas podziału komórki, chromatyna kondensuje tworząc chromosom, a chromosom jest dwuniciowy z kształtem litery X. Dwie nici są połączone z centrum przez region znany jako centromer.

Gdzie w komórce znajdują się chromosomy?

Chromosomy są obecne w jądrze komórki eukariotycznej. U prokariotów chromosom jest zwykle pojedynczą pętlą stabilnego chromosomalnego DNA w nukleoidzie, np. komórki bakteryjnej. Prokariotyczny DNA związany jest z białkami niehistonowymi. W wirusach również nie ma jądra, a więc chromosom może występować jako krótka liniowa lub kolista struktura cząsteczki DNA lub RNA często pozbawiona jakichkolwiek białek strukturalnych otoczona otoczką lub kapsydem swojej głowy.

Jaki jest związek między chromatyną a chromosomami?

Zależność między chromatyną a chromosomem jest taka, że chromatyna dalej ulega kondensacji tworząc chromosom. Współczynnik upakowania DNA chromosomu jest wyższy niż chromatyny.

Chromatyna vs. chromatyda

W chromosomach występują dwie nici. Pojedyncza nić chromosomu nazywana jest chromatydą. Te chromatydy oddzielają się na końcu podziału komórki, aby stać się chromosomy córki. Tak więc chromatyna jest zupełnie inna niż chromatyda, ponieważ głównymi elementami chromatyny są DNA i związane z nim białka w postaci włókien, podczas gdy chromatyda jest częścią chromosomu. Tak, chromatyda zawiera chromatynę.

Chromatyna vs. nukleosom

Nukleosom jest częścią DNA, która jest owinięta wokół rdzenia białek. Chromatyna jest kompleksem DNA z białkiem i pomaga w kondensacji DNA do pakowania w jądrze.

• 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, 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.
• Kreatywna-diagnostyka. 2017. „The Structure and Function of Chromatin.” 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
• Jansen, A., and 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. „Automatic Analysis and 3D-Modelling of Hi-C Data Using TADbit Reveals Structural Features of the Fly Chromatin Colors.” PLoS Computational Biology 13 (7): e1005665.

.