ХРОМАТИН: ВИДОВЕ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На хроматина е комплекс, образуван от ДНК и протеини само в еукариотни организми. По отношение на пропорцията, тя съдържа почти два пъти повече протеини, отколкото генетичен материал. Най-важните протеини в този комплекс са хистоните - малки, положително заредени протеини, които се свързват с ДНК чрез електростатични взаимодействия. Освен това, хроматинът има повече от хиляда протеини, различни от хистоните.

Основната единица на хроматина е нуклеозомата, която се състои от обединението на хистони и ДНК. Тази подредба напомня мънистата на колие. След като преминем през всички по-високи нива на ДНК организация, ще стигнем до хромозомите.

Източник: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd

Хроматиновата структура е тясно свързана с контрола на генната експресия. Има два основни типа: еухроматин и хетерохроматин.

Евхроматинът се характеризира с това, че има ниска степен на уплътняване, което се превръща във високи нива на транскрипция. За разлика от това, хетерохроматинът е транскрипционно неактивен, поради високата си степен на уплътняване.

Структурно има определени епигенетични белези на хистоните, характерни за двата типа хроматини. Докато еухроматинът е свързан с ацетилиране, хетерохроматинът е свързан с намаляване на химичните групи.

Има някои региони на хетерохроматин със структурни функции, като теломери и центромери.

Историческа перспектива

Изучаването на генетичния материал и неговата структурна организация започва през 1831 г., когато изследователят Робърт Браун описва ядрото. Един от непосредствените въпроси към това откритие беше да се проучи биологичната и химическата природа на тази структура.

Тези въпроси започват да се изясняват между 1870 и 1900 г. с експериментите на Фридрих Мишер, който въвежда думата нуклеин. Уолтър Флемминг обаче променя термина и използва хроматин за обозначаване на ядреното вещество.

С течение на времето човек започва да придобива по-задълбочени познания за генетичния материал и неговите свойства. Едва през 1908 г. италианският изследовател Паскуале Бакарини забелязва, че хроматинът не е хомогенен и успява да визуализира малки тела вътре в ядрото.

Видовете хроматини - еухроматин и хетерохроматин - първоначално са предложени от Емил Хайц през 1928 г. За да установи тази класификация, Хайц разчита на използването на петна.

През 1974 г. биологът Роджър Корнберг предлага модел за организация на генетичен материал в структури, известни като нуклеозоми, хипотеза, потвърдена емпирично от експериментите на Маркус Нол.

Какво е хроматин?

Хроматинови компоненти: ДНК и протеини

Хроматинът е нуклеопротеин, образуван от обединението на генетичен материал - ДНК - с хетерогенен набор от протеини. Това свързване е силно динамично и придобива сложна триизмерна конформация, която му позволява да изпълнява своите регулаторни и структурни функции.

Един от най-важните протеини в хроматина са хистоните, които се намират в почти същото съотношение като ДНК.

Хистоните са основни протеини, забележително запазени през цялата еволюционна история на органичните същества - тоест нашите хистони не варират много в сравнение с тези на други бозайници, дори друго животно, по-отдалечено филогенетично.

Зарядът на хистоните е положителен, така че те могат да взаимодействат чрез електростатични сили с отрицателния заряд на фосфатния гръбнак, присъстващ в ДНК. Има пет типа хистони, а именно: H1, H2A, H2B, H3 и H4.

Има и редица протеини с различно естество от хистоните, които участват в уплътняването на ДНК.

ДНК уплътняване: нуклеозоми

Основната единица на хроматина са нуклеозомите - повтарящи се структури, изградени от ДНК и хистони, конформация, открита в генетичния материал.

ДНК двойната спирала е навита в комплекс от осем хистона, известен като хистонов октамер. Молекулата се навива на около два оборота, последвана от къс участък (между 20 и 60 базови двойки), който отделя нуклеозомите една от друга.

За да разберем тази организация, трябва да вземем предвид, че молекулата на ДНК е изключително дълга (около 2 метра) и трябва да бъде навита по подреден начин, за да се установи в ядрото (чийто диаметър е от 3 до 10 цт). Освен това той трябва да бъде предоставен за репликация и транскрипция.

Тази цел се постига с различни нива на уплътняване на ДНК, като първото са гореспоменатите нуклеозоми. Те приличат на мънистата на перлено колие. Приблизително 150 базови двойки ДНК са навити в домашни условия.

Няма истински истории за бактериите. За разлика от тях има поредица от протеини, които напомнят на хистоните и се предполага, че допринасят за опаковането на бактериална ДНК.

Топ организация

Организацията на хроматина не е ограничена на нуклеозомно ниво. Тази асоциация на протеини и ДНК се групират заедно в по-дебела структура от около 30 nm - поради тази дебелина тя се нарича ниво "30 nm влакно".

Хроматинът, организиран в дебелина 30 nm, е организиран под формата на бримки, които се простират във вид на скеле от протеинова природа (а не хистони).

Това е използваният в момента модел, въпреки че могат да се очакват по-сложни механизми за уплътняване. Крайната организация се състои от хромозомата.

Грешки в организацията на хроматина

Уплътняването и организацията на генетичния материал е жизненоважно за множество биологични функции. Различни медицински състояния са свързани с грешки в структурата на хроматина, сред които X-свързана алфа таласемия, синдром на Рубинщайн-Тайби, синдром на Кофен-Лори, синдром на Рет.

Видове хроматин

В клетката има два вида хроматин, разкрити чрез прилагането на петна: еухроматин ("истински" хроматин) и хетерохроматин. В първия случай оцветяването се наблюдава слабо, докато във втория оцветяването е интензивно.

Тази структурна организация на ДНК е уникална за еукариотните организми и е решаваща за поведението на хромозомите и регулирането на генната експресия.

Ако оценим пропорциите на двата типа хроматини в клетка, която е в интерфаза, откриваме, че приблизително 90% от хроматина е еухроматин, а останалите 10% съответстват на хетерохроматин. Ще опишем подробно всеки тип по-долу:

I. Хетерохроматин

характеристики

Основната разлика, която съществува между двата типа хроматин, е свързана със степента на уплътняване или „опаковане“ на молекулата по време на специфични етапи в клетъчното делене.

Въпреки че генетичният материал изглежда разпръснат на случаен принцип в интерфейса, това не е по този начин.

На този етап има значителна организация, при която в ядрото може да се види диференциално разпределение на хромозомния материал.

ДНК на хромозоми не се преплита с нишката на ДНК на други хромозоми и остава в специфични региони, наречени хромозомни територии. Изглежда тази организация допринася за генната експресия.

Хетерохроматинът е силно кондензиран, което го прави недостъпен за транскрипционната машина - така че не се преписва. Също така, тя е лоша по отношение на броя на гените, които има.

Видове хетерохроматин

Определени региони на хетерохроматин са устойчиви през клетъчните линии - тоест те винаги ще се държат като хетерохроматин. Този вид хетерохроматин е известен като съставен. Пример за това са кондензираните области на хромозоми, наречени центромери и теломери.

За разлика от тях има части от хетерохроматин, които могат да променят нивото на уплътняване в отговор на промените в моделите на развитие или променливите на околната среда.

Благодарение на новите проучвания това мнение се преформулира и сега има доказателства, че съставният хетерохроматин също е динамичен и способен да реагира на стимули.

структура

Един от факторите, които определят структурата на хроматина, са химическите модификации на хистоните. В случай на хроматин, който е транскрипционно неактивен, те проявяват хипоацетилирани хистони.

Намаляването на броя на ацетиловите групи е свързано с заглушаване на гените, тъй като не маскира положителния заряд на лизините, което позволява силно електростатично взаимодействие между ДНК и хистони.

Друга епигенетична марка е метилирането. Въпреки това, тъй като добавянето на метилова група не променя заряда на протеина, неговото последствие (активиране или дезактивиране на гени) не е толкова очевидно и ще зависи от района на хистона, където се намира белегът.

Емпирично е установено, че метилирането на H3K4me3 и H3K36me3 е свързано с генно активиране и това на H3K9me3 и H3K27me3.

Характеристика

В примера на конститутивния хетерохроматин споменаваме центромера. Този хромозомен регион има структурна роля и допринася за движението на хромозомите по време на събития на митотично и мейотично клетъчно делене.

II. Euchromatin

характеристики

Противно на хетерохроматина, еухроматинът е по-малко компактна молекула, така че машината за транскрипция има лесен достъп (по-специално ензима на РНК полимераза) и може активно да се експресира генетично.

структура

Структурата на нуклеозома на транскрипционно активен хроматин се характеризира с ацетилирани хистони. Наличието на монометилирани лизини също е свързано с активиране на ген.

Добавянето на ацетил група към тези хистонови лизинови остатъци неутрализира положителния заряд на споменатата аминокиселина. Непосредствената последица от тази промяна е намаляването на електростатичните взаимодействия между хистон и ДНК, генерирайки по-хлабав хроматин.

Тази структурна модификация позволява взаимодействието на генетичния материал с транскрипционната машина, която се характеризира с това, че е особено обемна.

Характеристика

Euchromatin обхваща всички гени, които са активни и успяват да бъдат достигнати от ензимните машини, свързани с транскрипцията. Следователно функциите са толкова широки, колкото и функциите на участващите гени.

Препратки

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Хетерохроматин и епигенетичен контрол на генната експресия. наука, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Хетерохроматин и генно позициониране: отвътре, отвън, от която и да е страна ?. Хромосома, 121 (6), 555–563.
3. Lewin, B. (2008). Гени IX. Джоунс и Бартлет издателство.
4. Tollefsbol, TO (2011). Наръчник по епигенетика. Академична преса.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Нови данни за регулирането на хетерохроматина. Тенденции в генетиката: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). Преглед на протеините, регулиращи хроматина в клетките. Настояща наука за протеини и пептиди, 17 (5), 401–410.