Co je to obal DNA? (V prokaryotes a eukaryotes)



Obaly DNA je termín, který definuje řízené zhutnění DNA uvnitř buňky. V žádné buňce (a dokonce ani ve virech) je DNA volná, laxní a v pravém řešení.

DNA je extrémně dlouhá molekula, která navíc interaguje s celou řadou různých proteinů. Pro zpracování, dědičnost a kontrolu exprese genů, které nese, DNA přijímá určitou prostorovou organizaci. Toho je dosaženo tím, že buňka přísně kontroluje každý krok balení DNA na různých úrovních zhutnění.

Viry mají odlišné strategie balení pro své nukleové kyseliny. Jednou z oblíbených je tvorba kompaktních spirál. Lze říci, že viry jsou nukleové kyseliny zabalené v proteinech, které je pokrývají, chrání a mobilizují.

V prokaryotech je DNA spojena s proteiny, které určují tvorbu komplexních smyček ve struktuře nazývané nukleoid. Na druhé straně je maximální úroveň kompakce DNA v eukaryotické buňce mitotickým nebo meiotickým chromosomem.

Jediný případ, kdy B-DNA není zabalena, je výzkumná laboratoř, která tento účel sleduje.

Index

  • 1 Struktura DNA
  • 2 Bakteriální nukleoid
  • 3 Hladiny zhutnění eukaryotického chromozomu
    • 3.1 Nukleosom
    • 3.2 Vlákno 30 nm
    • 3.3 Vazby a zatáčky
  • 4 Kompenzace meiotické DNA
  • 5 Odkazy

Struktura DNA

DNA je tvořena dvěma antiparalelními pásy, které tvoří dvojitou spirálu. Každý z nich představuje kostru fosfodiesterových vazeb, na které se váží cukry spojené s dusíkatými bázemi.

Uvnitř molekuly tvoří dusíkaté báze jednoho pásu vodíkové vazby (dva nebo tři) s komplementárním pásmem.

V molekule jako je tato, většina důležitých vazebných úhlů ukazuje volnou rotaci. Dusíkaté, cukerné a fosfodiesterové vazby jsou flexibilní.

To umožňuje, aby DNA, vnímaná jako ohebná tyč, vykazovala určitou schopnost ohýbat a navíjet. Tato flexibilita umožňuje DNA přijímat komplexní lokální struktury a vytvářet interakční vazby na krátké, střední a dlouhé vzdálenosti.

Tato flexibilita také vysvětluje, jak lze udržet 2 metry DNA v každé diploidní buňce lidské bytosti. V gametě (haploidní buňce) by to byl DNA metr.

Bakteriální nukleoid

Ačkoliv to není nerozbitné pravidlo, bakteriální chromozom existuje jako jednořetězcová dvouvláknová DNA molekula.

Dvojitá spirála se více otáčí (více než 10 bp na jednu otáčku) a vytváří tak určité zhutnění. Lokální uzly jsou také generovány díky manipulacím, které jsou řízeny enzymaticky.

Navíc jsou v DNA sekvence, které umožňují vytváření domén ve velkých smyčkách. Nazýváme strukturu, která je výsledkem supererollamiento a uspořádaných smyček nukleoidu.

Tyto proteiny podléhají dynamickým změnám díky některým proteinům, které poskytují kompaktní chromozom strukturní stabilitu. Stupeň zhutnění bakterií a archaea je tak účinný, že na jeden nukleoid může být více než jeden chromozom.

Nukleoid komprimuje prokaryotickou DNA alespoň 1000krát. Velmi topologická struktura nukleoidu je základní součástí regulace genů, které chromosom nese. To znamená, že struktura a funkce tvoří stejnou jednotku.

Hladiny kompakce eukaryotického chromozomu

DNA v eukaryotickém jádru není nahá. Interaguje s mnoha proteiny, z nichž nejdůležitější jsou histony. Histony jsou malé, pozitivně nabité proteiny, které se váží na DNA nespecifickým způsobem.

V jádru toho, co pozorujeme, je DNA komplex: histony, které nazýváme chromatin. Vysoce kondenzovaný chromatin, který není obvykle exprimován, je heterochromatin. Naopak nejméně kompaktní (volnější) nebo euchromatin je chromatin s exprimovanými geny.

Chromatin má několik úrovní zhutnění. Nejzákladnější je nukleosom; následované solenoidovými vlákny a mezifázovými chromatinovými smyčkami. Pouze v případě, že je chromozóm rozdělen, jsou uvedeny maximální úrovně zhutnění.

Nukleosom

Nukleosom je základní jednotkou organizace chromatinu. Každý nukleosom je tvořen oktamerem histonů, které tvoří druh bubnu.

Oktamer je tvořen dvěma kopiemi každého z histonů H2A, H2B, H3 a H4. DNA kolem nich dává téměř 1,7 kol. Poté následuje frakce volné DNA, která se nazývá 20pb linker asociovaná s histonem H1, a pak další nukleosom. Množství DNA v nukleozomu a množství, které se k němu připojuje, je přibližně 166 párů bází.

Tento krok balení kompaktní DNA do molekuly asi 7 krát. To znamená, že jsme šli z metru na něco přes 14 cm DNA.

Toto zabalení je možné, protože pozitivní histony ruší negativní náboj DNA a následný elektrostatický vlastní impuls. Druhým důvodem je, že DNA se může ohnout tak, že může spinovat histonový oktamer.

Vlákno 30 nm

Vlákno korálků v náhrdelníku, který tvoří mnoho po sobě jdoucích nukleosomů, je navíc navinuto do kompaktnější struktury.

I když nevíme, jakou strukturu skutečně používá, víme, že dosahuje tloušťky asi 30 nm. Jedná se o tzv. 30 nm vlákno; histon H1 je nezbytný pro jeho tvorbu a stabilitu.

30 nm vlákno je základní strukturní jednotkou heterochromatinu. To laxních nukleosomů, euchromatinu.

Vazby a zatáčky

30 nm vlákno však není zcela lineární. Naopak vytváří smyčky o délce asi 300 nm, serpentinovým způsobem, na málo známé proteinové matrici.

Tyto smyčky na proteinové matrici tvoří kompaktnější chromatinové vlákno o průměru 250 nm. Nakonec jsou zarovnány jednoduchou spirálou o tloušťce 700 nm, což vede ke vzniku jedné ze sesterských chromatidů mitotického chromozomu..

Nakonec se DNA v jaderném chromatinu zhutní asi 10 000 krát v chromozomu dělící buňky. V mezifázovém jádru je jeho zhutnění také vysoké, protože je přibližně 1000 krát ve srovnání s "lineární" DNA.

Meiotické zhutnění DNA

Ve světě vývojové biologie se říká, že gametogeneze resetuje epigenom. To znamená, že vymaže DNA značky, které život původce gamety produkoval nebo zažil.

Tyto markery zahrnují methylaci DNA a kovalentní modifikace histonů (kód histonu). Ale ne celý epigenom je resetován. Co zůstane u značek, bude zodpovědné za otcovský nebo mateřský genetický otisk.

Implicitní reset na gametogenezi je snazší vidět ve spermiích. Ve spermiích není DNA plná histonů. Informace související s jeho úpravami v organismu producenta proto obecně nejsou zděděny.

V spermatu DNA je zabalena díky interakci s nespecifickými DNA vazebnými proteiny zvanými protaminy. Tyto proteiny tvoří disulfidové můstky navzájem, čímž pomáhají vytvářet navrstvené vrstvy DNA, které se neodrazují elektrostaticky.

Odkazy

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. vydání). W. Norton & Company, New York, NY, USA.
  2. Annunziato, A. (2008) Balení DNA: Nukleosomy a chromatin. Vzdělání přírody 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
  3. Brooker, R. J. (2017). Genetika: analýza a principy. McGraw-Hill vysokoškolské vzdělání, New York, NY, USA.
  4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturní a funkční mapa bakteriálního nukleoidu. Biologie genomu, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
  5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, P. A. B. (2008) Přeměna dvojité šroubovice. Science, 17: 446-449.
  6. Travers, A. A. (2004) Strukturální základ flexibility DNA. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně, série A, 362: 1423-1438.
  7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) Struktura a funkce DNA. FEBS Journal, 282: 2279-2295.