КАКВО ПРЕДСТАВЛЯВА ДНК ОПАКОВКАТА? - БИОЛОГИЯ - 2025

В опаковката на DNA е термин, който определя контролирано уплътняването на ДНК в клетката. В нито една клетка (и всъщност дори и при вируси) няма ДНК, свободна и истинска разтвор.

ДНК е изключително дълга молекула, която също винаги взаимодейства с огромно разнообразие от различни протеини. За обработката, наследяването и контрола на експресията на гените, които носи, ДНК приема определена пространствена организация. Това се осъществява от клетката чрез стриктно контролиране на всеки етап от опаковане на ДНК при различни нива на уплътняване.

Хроматин: от отпуснат (вляво) до кондензиран (вдясно). Взета от commons.wikimedia.org

Вирусите имат различни стратегии за опаковане на техните нуклеинови киселини. Един от любимите е този на формирането на компактни спирали. Може да се каже, че вирусите са нуклеинови киселини, опаковани в самите протеини, които ги покриват, защитават и мобилизират.

В прокариотите ДНК се свързва с протеини, които определят образуването на сложни бримки в структура, наречена нуклеоид. Максималното ниво на уплътняване на ДНК в еукариотна клетка, от друга страна, е митотичната или мейотична хромозома.

Единственият случай, в който B-DNA не е опакована, е изследователска лаборатория, която преследва тази цел.

ДНК структура

ДНК се състои от две антипаралелни ленти, които образуват двойна спирала. Всеки от тях има скелет на фосфодиестерна връзка, върху който са прикрепени захари, свързани с азотни основи.

Вътре в молекулата азотните основи на една лента образуват водородни връзки (две или три) с допълващата лента.

В молекула като тази, повечето от важните ъгли на връзка показват свободно въртене. Азотната база-захар, захарно-фосфатната група и фосфодиестерните връзки са гъвкави.

Това позволява ДНК, разглеждана като гъвкава пръчка, да покаже известна способност да се огъва и усуква. Тази гъвкавост позволява на ДНК да приема сложни локални структури и да образува вериги за взаимодействие на къси, средни и дълги разстояния.

Тази гъвкавост обяснява и как могат да се поддържат 2 метра ДНК във всяка диплоидна клетка на човек. В една гамета (хаплоидна клетка) тя би била метър ДНК.

Бактериалният нуклеоид

Въпреки че не е нечупливо правило, бактериалната хромозома съществува като единична свръхвита двойна лента на ДНК молекула.

Двойната спирала се усуква повече върху себе си (повече от 10 bp на оборот), като по този начин произвежда известно уплътняване. Локалните възли също се генерират благодарение на манипулации, които се контролират ензимно.

Освен това в ДНК има последователности, които позволяват на домейни да се формират в големи бримки. Ние наричаме структурата в резултат на преохлаждането и наредени цикли нуклеоид.

Те претърпяват динамични промени благодарение на някои протеини, които осигуряват някаква структурна стабилност на уплътнената хромозома. Степента на уплътняване в бактериите и археите е толкова ефективна, че може да има повече от една хромозома на нуклеоид.

Нуклеоидът уплътнява прокариотичната ДНК поне около 1000 пъти. Самата топологична структура на нуклеоида е основна част от регулацията на гените, които носи хромозомата. Тоест, структурата и функцията съставляват едно и също звено.

Нивата на уплътняване на еукариотната хромозома

ДНК в еукариотното ядро ​​не е голо. Той взаимодейства с много протеини, най-важният от които са хистоните. Хистоните са малки, положително заредени протеини, които се свързват с ДНК по неспецифичен начин.

В ядрото, което наблюдаваме, е сложна ДНК: хистони, които наричаме хроматин. Силно кондензираният хроматин, който по принцип не е експресиран, е хетерохроматин. За разлика от тях, най-слабо уплътненият (по-свободният) или еухроматинът е хроматин с гени, които се експресират.

Хроматинът има различни нива на уплътняване. Най-елементарното е това на нуклеозомата; То е последвано от соленоидни влакна и интерфазни хроматинови бримки. Едва когато се раздели хромозома, се показват максимални нива на уплътняване.

Нуклеозомата

Нуклеозомата е основната единица на организация на хроматина. Всяка нуклеозома е съставена от октамер от хистони, които образуват вид барабан.

Октамерът е съставен от две копия на всеки от хистоните H2A, H2B, H3 и H4. Около тях ДНК отива около 1,7 пъти. Следва фракция от свободна ДНК, наречена 20 bp линкер, свързана с хистон Н1, а след това с друга нуклеозома. Количеството на ДНК в нуклеозома и това, което го свързва с друга, е около 166 базови двойки.

Този етап на опаковане на ДНК уплътнява молекулата около 7 пъти. Тоест, преминаваме от един метър на малко над 14 см ДНК.

Това опаковане е възможно, тъй като положителните хистони отменят отрицателния заряд на ДНК и последващото електростатично самоотблъскване. Другата причина е, че ДНК може да бъде огъната по такъв начин, че да може да обърне октамера на хистоните.

30nm влакно

Влакната от мъниста в огърлица, образувана от много последователни нуклеозоми, е навити в по-компактна структура.

Въпреки че не сме наясно каква структура всъщност приема, ние знаем, че тя достига дебелина от около 30 nm. Това е така нареченото 30 nm влакно; Хистон Н1 е от съществено значение за неговото формиране и стабилност.

30 nm влакно е основната структурна единица на хетерохроматина. Тази на лакс нуклеозоми, тази на еухроматин.

Вратовръзки

30 nm влакно обаче не е напълно линейно. Напротив, той образува бримки с дължина около 300 nm, меандриращо, върху малко известна протеинова матрица.

Тези бримки на протеинова матрица образуват по-компактно хроматиново влакно с диаметър 250 nm. Накрая те се подравняват като единична спирала с дебелина 700 nm, което поражда един от сестринските хроматиди на митотична хромозома.

В крайна сметка ДНК в ядрения хроматин се уплътнява около 10 000 пъти върху хромозомата на делителната клетка. В интерфазното ядро ​​неговото уплътняване също е високо, тъй като е около 1000 пъти в сравнение с "линейната" ДНК.

Мейотичното уплътняване на ДНК

В света на биологията на развитието се казва, че гаметогенезата възстановява епигенома. Тоест, изтрива белезите на ДНК, които животът на човека, който е породил гамата, произведена или преживяна.

Тези маркери включват метилиране на ДНК и ковалентни модификации на хистони (Код за хистони). Но не целият епигеном е нулиран. Това, което остава с белези, ще бъде отговорно за генетичния отпечатък на бащата или майката.

Явното им нулиране на гаметогенезата е по-лесно да се види в спермата. В спермата ДНК не е препълнена с хистони. Следователно информацията, свързана с неговите модификации в организма, произвеждащ, обикновено не се наследява.

В сперматозоидите ДНК се пакетира благодарение на взаимодействието с неспецифични протеини, свързващи ДНК, наречени протамини. Тези протеини образуват дисулфидни връзки помежду си, като по този начин помагат да се образуват припокриващи се ДНК слоеве, които не се отблъскват взаимно електростатично.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition). WW Norton & Company, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
2. Annunziato, A. (2008) Опаковка на ДНК: Нуклеозоми и хроматин. Образование по природа 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Генетика: анализ и принципи. McGraw-Hill Висше образование, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Структурна и функционална карта на бактериален нуклеоид. Геномна биология, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Remeasuring the double helix. Наука, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) Структурната основа на гъвкавостта на ДНК. Философски транзакции на Лондонското кралско общество, серия A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) ДНК структура и функция. FEBS Journal, 282: 2279-2295.