Kromatin

Kromatin
n., plural: kromatiner

Definition:

Definition av kromatin

Vad är kromatin i en cell? Kromatin är ett komplex av nukleinsyror (t.ex. DNA eller RNA) och proteiner (t.ex. histoner). Det identifierades 1882. Till en början ansågs det bara vara en färgad substans i en cellkärna, men senare upptäckte man att kromatin karaktäriseras av proteiner som är knutna till DNA, och DNA identifierades som bärare av genetisk information (Ma, Kanakousaki och Buttitta 2015). Vi kan alltså definiera kromatin som en substans som består av DNA och associerade proteiner (så kallade histoner).

Vad är histoner?

Histoner är positivt laddade basiska proteiner som binder till negativt laddade fosfatmolekyler i DNA. Det finns två huvudelement i ett kromatin dvs. cellens DNA och associerade proteiner. De associerade proteinerna kallas histoner. Eller vi kan säga att kromatin innehåller proteiner som kallas histoner.

Kromatin är ett förpackningsmaterial för DNA. Om det inte packas väl kan det trassla sig runt sig självt eller skadas under celldelningen. Cellernas storlek är i mikrometer och ett DNA kan vara så långt som 3 meter. För att få plats med en så lång struktur i en mikrometerstor cell krävs en tät förpackning.

Vad är nukleosom?

En DNA-molekyl lindar sig runt histonproteinerna för att skapa täta slingor som kallas nukleosomer.

Nukleosomerna rullar sig ihop och buntas ihop för att bilda ett slags fiber som kallas kromatinfiber. Dessa kromatiner i sin tur slingrar och viker sig också runt med hjälp av proteiner för att skapa en kromosom. Det är därför en kromosom är känd för att bära en del av eller hela det genetiska materialet i en organism. När DNA väl har kondenserats till en kromosom är den nu skyddad på grund av sin tätt slingrade struktur. Mer detaljer om dess struktur finns i det här avsnittet: Kromatinstruktur.

Kromatin spelar också en viktig roll när det reglerar överföringen av genetisk information. Innan vi tekniskt definierar kromatin ska vi först förstå vad det är. Låt oss titta på följande diagram för att förstå kromatiner:

Var finns kromatin?

Var finns kromatinet? I eukaryota celler finns kromatinet i kärnan. Här är en illustration som hjälper dig att förstå dess placering i cellkärnan.

Gener i kromatin

De gener som finns i kromatin kan antingen stängas av eller slås på. Det innebär att i vissa celler är en viss del av genen aktiv (”påslagen”) medan den andra delen inte är det (”avstängd”). Vad reglerar denna komplexa information från gener till proteiner och mRNA? Ja, det är kromatinet.

För att bekräfta detta använde forskarna fruktflugan som modellorganism för att studera genernas på- och avslagstillstånd i kromatinet. Resultatet av deras studie identifierade 5 olika typer av kromatin som beskrivs av den unika närvaron av proteiner.

Dessa fem typer benämndes sedan som färger: De kallas sedan färgerna: grönt, gult, svart, blått och rött. Svart var helt inaktivt, grönt och blått var delvis aktivt och gult och rött var fullt aktiva gener i kromatinet. De upptäckte att generna i gult kromatin var påslagna i nästan alla celler eftersom de reglerade cellernas livsviktiga funktioner. Röda kromatiner var påslagna i vissa specifika celler eftersom de reglerade mer specifika funktioner (Serra et al., 2017).

Kromatinstruktur

Histonproteinet och DNA har en lika stor massa i eukaryotiskt kromatin (även om det också finns vissa celler med icke-histonproteiner istället). Nukleosomen är den strukturella enheten i kromatinet, som i sin tur består av DNA och (histon- eller icke-histon-) proteiner. Denna struktur upprepas i hela det genetiska materialet i en organism. Strukturen av kromatin som packas in i den högre ordningens struktur visas nedan.

Vad menas med ”pärlor på ett snöre”-modellen för kromatin?

DNA och histonproteinerna utgör den första nivån av komprimering för DNA inuti kärnan. Den grundläggande strukturenheten för kromatin är nukleosomen. En nukleosom bildas när DNA lindas runt histoner (proteinkärnan) för att bilda en ”pärlliknande” struktur. Denna pärlliknande struktur är känd som en nukleosom. I figur 3, den andra från toppen, är kromatinformen ”pärlor på ett snöre”. Nukleosomen är ett komplex av 146 baspar av DNA och är lindad från utsidan av 8 proteiner, dvs. histoner. DNA lindat runt histoner bildar alltså en nukleosom.

Det finns fem olika typer av histoner, nämligen H1, H2A, H2B, H3 och H4. En histonkärna bildas när två H2A och H2B kombineras med proteinerna H3 och H4. Ungefär 145 baspar DNA lindas två gånger runt denna proteinstruktur för att bilda en nukleosom. Längden på länk-DNA kan variera beroende på artens genaktivitet och kan variera mellan 10 och 95 baspar. Det finns en nukleosom efter varje 200 baspar och dess längd var 10 nm.

När man tittar genom ett mikroskop ser kromatinet ut som pärlor som är monterade i ett snöre. Dessa pärlor är kända som nukleosomer. Själva nukleosomen består av åtta proteiner som kallas histoner. Nukleosomerna bildar en solenoid genom att lindas in i en spiral på 30 nm. I denna solenoid hjälper ytterligare histonproteiner till att bilda kromatinstrukturen. Kromatinet kondenserar till kromosomer på grund av den ökande kompakta strukturen (Baldi, Korber och Becker 2020).

Vad är förhållandet mellan DNA och kromatin?

Kromatin är förpackningen av DNA. DNA och associerade proteiner packas i kromatin för att passa in i en kärna.

Hur DNA monteras i kromatinstrukturen?

Det finns flera steg som är involverade i monteringen av DNA i kromatinet. I det första steget lägger sig proteinerna H3e och H4 på DNA följt av H2A och H2B. En subkyleosomal partikel bildas som består av 146 baspar av DNA. Det andra steget är mognad där ATP skapar ett konsekvent avstånd mellan nukleosomkärnorna. I nästa steg påbörjas veckningen av länkhistoner i ett nukleofilament med en struktur på 30 nm. I det sista steget sker ytterligare veckning som leder till en högre packningsnivå. Packningsförhållandet är ungefär 7000.

Euchromatin vs. Heterokromatin

Det finns två former av kromatin: (1) euchromatin och (2) heterokromatin. Euchromatin är mindre kondenserat och kan transkriberas medan heterokromatin är starkt kondenserat och kan vanligtvis inte transkriberas. Heterokromatinet delas vidare in i konstitutivt heterokromatin och fakultativt heterokromatin. Det konstitutiva heterokromatinet är de DNA-sekvenser som finns i alla celler i en organism. Det konstitutiva heterokromatinet är relaterat till mycket upprepat DNA. På samma sätt finns fakultativt heterokromatin inte i alla celler. Till exempel finns genen som kodar för betaglobin hos djur i vissa celler men inte i blodceller. Som förklarats tidigare är kromatin ett komplex av proteiner och DNA i eukaryota celler. Kärnans DNA existerar inte som linjära strängar utan är tätt kondenserat och lindat runt kärnproteiner så att det får plats i kärnan.

Kromatins funktion

Inledningsvis betraktades kromatinet som det ämne som ger cellkärnan färg. Senare fann man att det inte bara är ett färgämne utan att det är en av de viktigaste DNA-uttrycksreglerna. Kromatinets struktur har också en viktig roll i replikationen av DNA. Paketeringen av DNA i kromatin och nukleosom resulterar i en tätt sluten struktur som inte är tillgänglig för enzymer som ansvarar för transkription, replikation och reparation av DNA.

Den paketerade DNA-strukturen är transkriptionellt repressiv och tillåter endast en basal nivå av genuttryck. För nukleosomstrukturer som är öppna eller störda kan DNA lättare replikeras och transkriberas.

Under transkriptionsprocessen förändras kromatinstrukturen av vissa repressorer och aktivatorer som interagerar med RNA för att reglera genaktiviteten. Aktivatorer ändrar nukleosomstrukturen vilket resulterar i att RNA-polymerasets sammansättning stimuleras. Under replikationen sker en liknande reglering av kromatinstrukturen vilket gör att replikationsmekanismen kan vara på plats vid replikationens ursprung.

En annan funktion hos kromatin är regleringen av genuttrycket. Med hjälp av processen för positionseffektvariegation kan generna omvandlas till transkriptionellt inaktiva genom att de placeras nära tysta heterokromatiska kromatiner. Avståndet mellan tysta heterokromatinkromatiner och gener kan vara upp till 1000 kilobaspar. Detta fenomen kallas epigenetiskt eftersom det ger upphov till variation i fenotypen.

Vetenskapsmännen föreslog att heterokromatinets starkt kondenserade natur förhindrar transkription av DNA. Det är dock ännu inte helt klarlagt hur de angränsande icke-heterokromatriska regionerna påverkas. Forskarna fann att proteiner i kromatin kan spridas till angränsande regioner för att åstadkomma en liknande repressiv effekt. Forskarna föreslog också att det kan finnas vissa avdelningar i kärnan som inte är tillgängliga för transkriptionsfaktorer och där heterokromatin kan finnas. Det är alltså möjligt att kromatinet i kärnan inte är direkt tillgängligt för transkriptionsfaktorer.

Kromatinets struktur påverkar DNA-replikationen. Eukromatinet och andra aktiva områden av genomet replikerar till exempel tidigare. På samma sätt är replikationsprocessen i heterokromatinet och det tysta området runtomkring också långsam. Andra viktiga funktioner hos kromatin beskrivs nedan.

DNA-förpackning

Den viktigaste funktionen hos kromatin är packningen av långa DNA-strängar i ett mycket mindre utrymme. DNA:s linjära längd är mycket lång jämfört med var det befinner sig. För att få plats på ett säkert sätt utan att trassla ihop sig eller skadas måste DNA komprimeras på något sätt. Komprimeringen av DNA i kärnan kallas kondensering. Graden av komprimering av DNA i en kropp kallas packningsgrad. DNA:s packningsgrad är ungefär 7000. För denna höga grad av kompaktering packas DNA inte direkt in i kromatinstrukturen. Snarare finns det flera hierarkier av organisation.

Den första packningen uppnås genom att DNA lindas runt nukleosomen. Detta ger en packningsgrad på 6. Denna packning är densamma för både heterokromatin och euchromatin. Den andra packningsnivån uppnås genom att pärlorna lindas in i en 30 nm lång fiber som också återfinns i både mitotiska kromosomer och kromatin i interfasen. Denna omslagning ökar packningskvoten från 6 till 40. Det tredje packningssteget uppnås genom att fibern lindas ytterligare till slingor, domäner och ställningar. Denna sista packning ökade packningsförhållandet till 10 000 i mitotiska kromosomer och 1000 i interfas-kromatiner.

Kromosomerna är mest komprimerade under metafas. Under celldelningen av eukaryota celler måste DNA:t delas lika mycket i två dotterceller. Under denna fas är DNA:t starkt komprimerat och när cellen har slutfört delningen rullar kromosomen ut sig igen. När längden på kromosomer i metafas jämförs med linjärt DNA kan packningsförhållandet vara så högt som 10 000:1. Denna höga packningsgrad uppnås genom fosforylering av histon H1.

Transkriptionsreglering

Transkription är processen för överföring av genetisk information från DNA till proteiner. Denna information transkriberas sedan till RNA. Det sista steget är översättningen av RNA till funktionella proteiner. Transkriptionsprocessen styrs av kromatin. Om kromatinet förstärks och begränsar tillgången till att läsa proteinerna kommer transkriptionen att avstanna. Heterokromatinet är en kondenserad typ av kromatin som är starkt packat och proteinerna kan inte läsa DNA:t. Medan euchromatinet inte är så tätt packat och proteiner kan genomföra DNA-beskrivningsprocessen. På samma sätt finns det aktiva och inaktiva kromatiner som kan bidra till transkriptionsutbrott eller avbrott i transkriptionen.

Andra faktorer i transkriptionen inkluderar association och dissociation av transkriptionsfaktorkomplex som finns i kromatinet. Detta fenomen anses vara orsaken till den stora variationen i genuttryck som förekommer mellan celler i den isogena populationen.

Kromatin och DNA-reparation

Alla DNA-baserade processer är beroende av att DNA paketeras i kromatinet. Kromatinet har förmågan att ändra sin form och struktur på grund av det dynamiska arrangemanget av proteiner. När DNA skadas sker en relaxation av kromatinet. Denna avslappning gör det möjligt för proteinerna att binda till DNA och reparera det.

Kromatin i mitos

Mitos är en celldelningsprocess där de två celler (dotterceller) som blir resultatet har samma typ och antal kromosomer som föräldrakärnan. Kromatin har en viktig funktion under mitosens fyra steg.

• Profas: Under den här fasen lindar sig kromatinfibrerna runt för att bilda kromosomerna. Den replikerade kromosomen består av två kromatider som är sammanfogade vid centromeren.
• Metafas: Under denna fas kondenseras kromatinet extremt mycket
• Anafas: Under denna fas drar spindelns mikrotubuli de två identiska kromosomerna till slutet av cellerna och separerar dem.
• Telofas: Under denna fas drar spindelns mikrotubuli de två identiska kromosomerna till slutet av cellerna och separerar dem: I den här fasen separeras de nya kromosomerna till sin egen cellkärna. Vid denna tidpunkt blir kromatinfibrerna mindre kondenserade genom att de avrullas. Två identiska celler produceras med samma antal kromosomer.

Kromatin, kromosom och kromatid

Och även om alla de tre strukturerna dvs. kromatin, kromosomer och kromatider finns i cellens kärna och består av DNA, är de dock unikt identifierade enligt beskrivningen nedan: