Cromatină
n., plural: cromatine
Definiție: Un complex de acizi nucleici (de exemplu, ADN sau ARN) și proteine (de exemplu, histone)
Carte de materii
Definiția cromatinei
Ce este cromatina într-o celulă? Cromatina este un complex de acizi nucleici (de exemplu, ADN sau ARN) și proteine (de exemplu, histone). A fost identificată în 1882. Inițial, a fost considerată doar o substanță colorată în nucleu, însă, ulterior, s-a constatat că cromatina este caracterizată ca fiind proteine atașate la ADN, iar ADN-ul a fost identificat ca fiind purtătorul informației genetice (Ma, Kanakousaki și Buttitta 2015). Astfel, putem defini cromatina ca fiind o substanță formată din ADN și proteine asociate (cunoscute sub numele de histone).
Ce sunt histonele?
Histonele sunt proteine de bază încărcate pozitiv care se leagă de moleculele de fosfat încărcate negativ ale ADN-ului. Există două elemente majore într-o cromatină, și anume ADN-ul celulei și proteinele asociate. Proteinele asociate sunt cunoscute sub numele de histone. Sau putem spune că cromatina conține proteine numite histone.
Cromatina este un material de ambalare pentru ADN. Dacă nu este bine împachetat, acesta se poate încurca în jurul său sau se poate deteriora în timpul diviziunii celulare. Dimensiunea celulelor este în micrometri, iar un ADN poate avea o lungime de până la 3 metri. Pentru ca o structură atât de lungă să încapă într-o celulă micrometrică, este necesară o împachetare strânsă.
Ce este nucleozomul?
O moleculă de ADN se înfășoară în jurul proteinelor histone pentru a crea bucle strânse cunoscute sub numele de nucleozomi.
Nucleozomii se înfășoară și sunt împachetați împreună pentru a forma un fel de fibră cunoscută sub numele de fibră de cromatină. Aceste cromatine, la rândul lor, de asemenea, se înfășoară în buclă și se pliază cu ajutorul proteinelor pentru a produce un cromozom. Acesta este motivul pentru care se știe că un cromozom poartă o parte sau întregul material genetic al unui organism. Odată ce ADN-ul este condensat într-un cromozom, acesta este acum protejat datorită structurii sale strâns înfășurate. Mai multe detalii despre structura sa se găsesc în această secțiune: Structura cromatinei.
Cromatina joacă, de asemenea, un rol vital în timp ce reglează transferul de informație genetică. Înainte de a defini tehnic cromatina din punct de vedere tehnic, să înțelegem ce este ea. Să ne uităm la următoarea diagramă pentru a înțelege cromatinele:
Unde se găsește cromatina?
Unde se află cromatina? În celulele eucariote, cromatina se găsește în interiorul nucleului. Iată o ilustrație care vă va ajuta să înțelegeți localizarea acesteia în cadrul nucleului celular.
Genele din cromatină
Genele prezente în cromatină pot fi fie dezactivate, fie activate. Aceasta înseamnă că în unele celule o anumită parte a genei este activă („pornită”), în timp ce cealaltă nu este („oprită”). Ce reglează această informație complexă de la gene la proteine și ARNm? Da, este cromatina.
Pentru a valida acest lucru, cercetătorii au folosit musca de fructe ca organism model pentru a studia starea de activare și dezactivare a genelor din cromatină. Rezultatul studiului lor a identificat 5 tipuri distincte de cromatină descrise prin prezența unică a proteinelor.
Aceste cinci tipuri au fost apoi denumite culori: Verde, Galben, Negru, Albastru și Roșu. Negrul era total inactiv, verdele și albastrul erau parțial active, iar galbenul și roșul erau gene complet active în cromatină. Ei au descoperit că genele din cromatina galbenă erau activate în aproape toate celulele, deoarece reglementau funcțiile vitale ale celulelor. Cromatinele roșii erau activate în unele celule specifice pentru că reglementau funcții mai specifice (Serra et al., 2017).
Structura cromatinei
Proteinele histonice și ADN-ul au o masă egală în cromatina eucariotă (deși există și unele celule cu proteine non-histonice în schimb). Nucleosomul este unitatea structurală a cromatinei, care, la rândul ei, este formată din ADN și proteine (histone sau non-histone). Această structură se repetă în tot materialul genetic al unui organism. Structura cromatinei împachetate în structura de ordin superior este prezentată mai jos.
Ce se înțelege prin modelul „mărgele pe un șir” al cromatinei?
Proteinele ADN și histonele asigură primul nivel de compactare a ADN-ului în interiorul nucleului. Unitatea de bază a structurii cromatinei este nucleosomul. Un nucleosom se formează atunci când ADN-ul este înfășurat în jurul histonelor (nucleul proteic) pentru a forma o structură „asemănătoare unei mărgele”. Această structură asemănătoare unei mărgele este cunoscută sub numele de nucleozom. În figura 3, a doua de sus este forma de cromatină cu „mărgele pe o sfoară”. Nucleosomul este un complex format din 146 de perechi de baze de ADN și este înfășurat din exterior de 8 proteine, adică histone. Astfel, ADN-ul înfășurat în jurul histonelor formează un nucleosom.
Există cinci tipuri diferite de histone, și anume H1, H2A, H2B, H3 și H4. Un nucleu histonic este produs atunci când două H2A și H2B se combină cu proteinele H3 și H4. Aproximativ 145 de perechi de baze de ADN sunt înfășurate de două ori în jurul acestei structuri proteice pentru a forma un nucleosom. Lungimea ADN-ului de legătură poate varia în funcție de activitatea genei speciei și poate varia între 10 și 95 de perechi de baze. Există un nucleozom după fiecare 200 de perechi de baze, iar lungimea sa a fost de 10 nm.
Când este privită la microscop, cromatina arată ca niște mărgele montate în șir. Aceste mărgele sunt cunoscute sub numele de nucleozomi. Nucleosomul în sine este compus din opt proteine cunoscute sub numele de histone. Nucleozomii formează un solenoid, înfășurându-se într-o spirală de 30 nm. În acest solenoid, alte proteine histone ajută la formarea structurii cromatinei. Cromatina se condensează în cromozomi datorită creșterii structurii compacte (Baldi, Korber, and Becker 2020).
Care este relația dintre ADN și cromatină?
Cromatina este ambalajul ADN-ului. ADN-ul și proteinele asociate sunt împachetate în interiorul cromatinei pentru a se potrivi în interiorul unui nucleu.
Cum se asamblează ADN-ul în structura cromatinei?
Există mai multe etape implicate în asamblarea ADN-ului în cromatină. În prima etapă, proteinele H3e și H4 se depun pe ADN, urmate de H2A și H2B. Se formează o particulă subnucleosomală formată din 146 de perechi de baze de ADN. A doua etapă este cea de maturare, în care ATP stabilește o spațiere consistentă a nucleozomilor. În etapa următoare începe plierea histonelor de legătură într-un nucleofilament cu o structură de 30 nm. În ultima etapă are loc o pliere suplimentară care duce la un nivel mai ridicat de împachetare. Raportul de împachetare este de aproximativ 7000.
Euchromatină vs. Heterocromatină
Există două forme de cromatină: (1) eucromatină și (2) heterocromatină. Euchromatina este mai puțin condensată și poate fi transcrisă, în timp ce heterocromatina este foarte condensată și, de obicei, nu poate fi transcrisă. Heterocromatina este clasificată în continuare în heterocromatină constitutivă și heterocromatină facultativă. Heterocromatina constitutivă este reprezentată de secvențele de ADN existente în toate celulele unui organism. Heterocromatina constitutivă este legată de ADN foarte repetat. În mod similar, heterocromatina facultativă nu este prezentă în toate celulele. De exemplu, gena care codifică beta-globina la animale este prezentă în anumite celule, dar nu și în celulele sanguine. După cum s-a explicat anterior, cromatina este un complex de proteine și ADN în celulele eucariote. ADN-ul nuclear nu există sub formă de șiruri liniare, ci este strâns condensat și înfășurat în jurul proteinelor nucleare, astfel încât să poată încăpea în nucleu.
Funcția cromatinei
Început, cromatina a fost considerată ca fiind substanța care dă culoare nucleului celular. Ulterior, s-a constatat că nu este doar o substanță colorantă, ci este unul dintre cei mai importanți regulatori ai expresiei ADN-ului. Structura cromatinei are, de asemenea, un rol important în replicarea ADN-ului. Ambalarea ADN-ului în cromatină și nucleozom are ca rezultat o structură strâns închisă, care nu este accesibilă enzimelor responsabile de transcrierea, replicarea și repararea ADN-ului.
Ambalarea structurii ADN este represivă din punct de vedere transcripțional și permite doar un nivel bazal de expresie a genelor. Pentru structurile nucleozomilor care sunt deschise sau perturbate, ADN-ul poate fi mai ușor replicat și transcris.
În timpul procesului de transcripție, structura cromatinei este modificată de unii represori și activatori care interacționează cu ARN-ul pentru a regla activitatea genei. Activatorii modifică structura nucleozomilor, ceea ce duce la stimularea asamblării ARN polimerazei. În timpul replicării, are loc o reglare similară a structurii cromatinei care permite ca mecanismul de replicare să fie la locul său la originea replicării.
O altă funcție a cromatinei este în reglarea expresiei genice. Utilizând procesul de variație a efectului de poziție, genele pot fi transformate în inactive din punct de vedere transcripțional prin localizarea lor în apropierea cromatinelor heterocromatice silențioase. Distanța dintre cromatinele heterocromatinei silențioase și gene poate fi de până la 1000 de perechi de kilobaze. Acest fenomen este denumit epigenetic deoarece produce variația fenotipului.
Științii au propus că natura foarte condensată a heterocromatinei împiedică transcrierea ADN-ului. Cu toate acestea, nu este încă pe deplin înțeles modul în care sunt afectate regiunile neeterocromatice învecinate. Cercetătorii au descoperit că proteinele din cromatină se pot răspândi în regiunile învecinate pentru a produce un efect represiv similar. Cercetătorii au propus, de asemenea, că pot exista unele compartimente în nucleu care nu sunt accesibile factorilor de transcripție, în care ar putea să locuiască heterocromatina. Astfel, este posibil ca cromatina din nucleu să nu fie direct accesibilă factorilor de transcripție.
Structura cromatinei afectează replicarea ADN-ului. De exemplu, eucromatina și alte zone active ale genomului se replică mai devreme. În mod similar, în heterocromatină și în zona tăcută din jurul acesteia, procesul de replicare este, de asemenea, lent. Alte funcții importante ale cromatinei sunt descrise mai jos.
Împachetarea ADN-ului
Cea mai importantă funcție a cromatinei este împachetarea șirurilor lungi de ADN într-un spațiu mult mai mic. Lungimea liniară a ADN-ului este foarte mare în comparație cu locul în care se află. Pentru a se potrivi în siguranță, fără să se încurce sau să se deterioreze, ADN-ul trebuie să fie compactat printr-o anumită metodă. Compactarea ADN-ului în nucleu se numește condensare. Gradul în care ADN-ul este condensat în interiorul unui corp se numește raport de împachetare. Raportul de împachetare al ADN-ului este de aproximativ 7000. Pentru acest nivel ridicat de compactare, ADN-ul nu este împachetat direct în structura de cromatină. Mai degrabă, există mai multe ierarhii de organizare.
Pachetarea inițială se realizează prin înfășurarea ADN-ului în jurul nucleozomului. Acest lucru dă un raport de împachetare de 6. Această împachetare este aceeași atât pentru heterocromatină, cât și pentru eucromatină. Al doilea nivel de compactare se realizează prin înfășurarea perlelor într-o fibră de 30 nm care se găsește, de asemenea, atât în cromozomii mitotici, cât și în cromatina interfazică. Această înfășurare crește raportul de împachetare de la 6 la 40. Cea de-a treia etapă de compactare se realizează prin înfășurarea suplimentară a fibrei în bucle, domenii și schele. Această împachetare finală a crescut raportul de împachetare la 10.000 în cromozomii mitotici și la 1.000 în cromatinele din interfază.
Cromozomii sunt cel mai mult comprimați în timpul metafazei. În timpul diviziunii celulare a celulelor eucariote, ADN-ul trebuie să fie împărțit în mod egal în două celule fiice. În timpul acestei faze, ADN-ul este foarte compactat și, odată ce celula finalizează diviziunea, cromozomul se desfășoară din nou. Atunci când lungimea cromozomilor în metafază este comparată cu cea a ADN-ului liniar, raportul de împachetare poate fi de până la 10.000:1. Acest nivel ridicat de compactare este obținut prin fosforilarea histonei H1.
Reglarea transcripției
Transcripția este procesul de transfer al informației genetice de la ADN la proteine. Această informație este apoi transcrisă în ARN. Etapa finală este traducerea ARN-ului în proteine funcționale. Procesul de transcriere este controlat de cromatină. Dacă cromatina este întărită și restricționează accesul la citirea proteinelor, transcrierea se va opri. Heterocromatina este un tip condensat de cromatină care este foarte bine împachetată, iar proteinele nu pot citi ADN-ul. În timp ce eucromatina nu este atât de strâns împachetată și proteinele pot conduce procesul de descriere a ADN-ului. În mod similar, există cromatine active și inactive care pot contribui la explozia transcripțională sau la discontinuitatea transcripției.
Alți factori în transcripție includ asocierea și disocierea complexului de factori de transcripție prezent în cromatină. Acest fenomen este considerat motivul pentru variabilitatea ridicată a expresiei genice care apare între celulele din populația izogenă.
Cromatina și repararea ADN-ului
Toate procesele bazate pe ADN depind de împachetarea ADN-ului în cromatină. Cromatina are capacitatea de a-și schimba forma și structura datorită aranjamentului dinamic al proteinelor. Atunci când ADN-ul este deteriorat, are loc relaxarea cromatinei. Această relaxare permite proteinelor să se lege de ADN și să îl repare.
Cromatina în mitoză
Mitoza este procesul de diviziune celulară în care cele două celule rezultate (celule fiice) au același tip și număr de cromozomi ca și nucleul părinte. Cromatina are o funcție importantă în timpul celor patru etape ale mitozei.
- Profaza: În timpul acestei faze, fibrele de cromatină se înfășoară pentru a forma cromozomii. Cromozomul replicat cuprinde două cromatide combinate la nivelul centromerului.
- Metafaza: În timpul acestei faze, cromatina se condensează extrem de mult
- Anafaza: În timpul acestei faze, microtubulii fusiformi trag cei doi cromozomi identici spre capătul celulelor și îi separă.
- Telofaza: În această fază, noii cromozomi sunt separați în propriul lor nucleu. În acest moment, fibrele de cromatină devin mai puțin condensate prin dezarhivare. Se produc două celule identice cu același număr de cromozomi.
Cromatină, cromozom și cromatidă
Deși toate cele trei structuri, adică cromatina, cromozomii și cromatidele sunt prezente în nucleul celulei și sunt compuse din ADN, cu toate acestea, ele sunt identificate în mod unic, așa cum este descris mai jos:
Cromatină vs. cromatină. Cromozomul
Diferența majoră dintre cromatină și cromozomi este că cromatina este compusă din ADN și histone care sunt împachetate într-o fibră, în timp ce un cromozom este o formă monocatenară de cromatină condensată. Structura cromozomului se bazează pe fibra fină a cromatinei. În timp ce funcțiile cromatinei sunt descrise mai sus, funcția cromozomilor este vitală în timpul mutației, regenerării, diviziunii celulare, variației și eredității. Mai mult, în timpul diviziunii celulare, cromatina se condensează pentru a forma un cromozom, iar cromozomul este bicatenar și are forma unui X. Cele două șiruri sunt conectate la centru printr-o regiune cunoscută sub numele de centromer.
În ce parte a celulei sunt localizați cromozomii?
Cromozomii sunt prezenți în nucleul unei celule eucariote. La procariote, cromozomul este, de obicei, o singură buclă de ADN cromozomal stabil în nucleoid, de exemplu, al unei celule bacteriene. ADN-ul procariot este asociat cu proteine nehistonice. La viruși, nu există, de asemenea, un nucleu și astfel cromozomul poate apărea ca o scurtă structură liniară sau circulară de moleculă de ADN sau ARN, adesea lipsită de proteine structurale, învelită de un înveliș sau de o capsidă a capului său.
Care este relația dintre cromatină și cromozomi?
Relația dintre cromatină și cromozom este că cromatina suferă ulterior o condensare pentru a forma un cromozom. Raportul de împachetare a ADN-ului unui cromozom este mai mare decât cel al cromatinei.
Cromatină vs. cromatidă
Cromozomii au două catene. Șirul unic al cromozomului se numește cromatid. Aceste cromatide se separă la sfârșitul diviziunii celulare pentru a deveni cromozomi fiice. Astfel, cromatina este complet diferită de cromatid, deoarece elementele majore ale cromatinei sunt ADN-ul și proteinele asociate sub formă de fibre, în timp ce cromatidul este o parte a cromozomului. Da, cromatidul conține cromatină.
Cromatină vs. nucleozom
Nucleozomul este partea de ADN care este înfășurată în jurul unui nucleu de proteine. Cromatina este complexul ADN-ului cu proteine și ajută la condensarea ADN-ului pentru împachetarea în nucleu.
- Anthony T. Annunziato. 2008. „DNA Packaging: Nucleosomi și cromatină”. 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, și 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. „The Structure and Function of Chromatin” (Structura și funcția cromatinei). 2017. https://doi.org/10.7326/0003-4819-83-3-445_5.
- Jansen, A., și 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, și Laura Buttitta. 2015. „How the Cell Cycle Impacts Chromatin Architecture and Influences Cell Fate” (Cum afectează ciclul celular arhitectura cromatinei și influențează soarta celulelor). Frontiers in Genetics 6: 19.
- Serra, François, Davide Baù, Mike Goodstadt, David Castillo, Guillaume J Filion, și 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.
.