ХРОМАТИН: ВИДЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Хроматина представляет собой комплекс , образованный ДНК и белки только в эукариотических организмах. По пропорции он содержит почти в два раза больше белков, чем генетический материал. Наиболее важными белками в этом комплексе являются гистоны - небольшие, положительно заряженные белки, которые связываются с ДНК посредством электростатических взаимодействий. Кроме того, хроматин содержит более тысячи белков, помимо гистонов.

Фундаментальной единицей хроматина является нуклеосома, состоящая из соединения гистонов и ДНК. Эта композиция напоминает бусинки на колье. Пройдя через все более высокие уровни организации ДНК, мы перейдем к хромосомам.

Источник: Chromatin_nucleofilaments.png: Крис Вудкок, производная работа: Gouttegd

Структура хроматина тесно связана с контролем экспрессии генов. Есть два основных типа: эухроматин и гетерохроматин.

Эухроматин характеризуется низкой степенью уплотнения, что приводит к высоким уровням транскрипции. Напротив, гетерохроматин транскрипционно неактивен из-за его высокой степени уплотнения.

В структуре присутствуют определенные эпигенетические метки гистонов, характерные для обоих типов хроматинов. В то время как эухроматин связан с ацетилированием, гетерохроматин связан с уменьшением химических групп.

Есть некоторые области гетерохроматина со структурными функциями, такие как теломеры и центромеры.

Историческая перспектива

Изучение генетического материала и его структурной организации началось в 1831 году, когда исследователь Роберт Браун описал ядро. Одним из непосредственных вопросов к этому открытию было выяснить биологическую и химическую природу этой структуры.

Эти вопросы начали выясняться между 1870 и 1900 годами, с экспериментов Фридриха Мишера, который ввел слово нуклеин. Однако Вальтер Флемминг изменяет термин и использует хроматин для обозначения ядерного вещества.

Со временем вы начнете более глубокое понимание генетического материала и его свойств. Только в 1908 году итальянский исследователь Паскуале Баккарини заметил, что хроматин неоднороден, и сумел визуализировать маленькие тела внутри ядра.

Типы хроматинов - эухроматин и гетерохроматин - были первоначально предложены Эмилем Хайцем в 1928 году. Чтобы установить эту классификацию, Хайц полагался на использование красителей.

В 1974 году биолог Роджер Корнберг предложил модель организации генетического материала в структурах, известных как нуклеосомы, гипотеза, подтвержденная эмпирически экспериментами Маркуса Нолла.

Что такое хроматин?

Компоненты хроматина: ДНК и белки

Хроматин - это нуклеопротеин, образованный объединением генетического материала - ДНК - с гетерогенным набором белков. Эта ассоциация очень динамична и приобретает сложную трехмерную конформацию, которая позволяет ей выполнять свои регуляторные и структурные функции.

Одним из наиболее важных белков хроматина являются гистоны, которые содержатся почти в том же количестве, что и ДНК.

Гистоны - это основные белки, удивительно консервативные на протяжении всей истории эволюции органических существ, то есть наши гистоны не сильно различаются по сравнению с гистонами других млекопитающих, даже от другого животного, более далекого филогенетически.

Заряд гистонов положительный, поэтому они могут взаимодействовать посредством электростатических сил с отрицательным зарядом фосфатного остова, присутствующего в ДНК. Существует пять типов гистонов, а именно: H1, H2A, H2B, H3 и H4.

Существует также ряд белков, природа которых отличается от гистонов, которые участвуют в уплотнении ДНК.

Уплотнение ДНК: нуклеосомы

Основной единицей хроматина являются нуклеосомы - повторяющиеся структуры, состоящие из ДНК и гистонов, конформация, обнаруженная во всем генетическом материале.

Двойная спираль ДНК свернута в комплекс из восьми гистонов, известный как октамер гистонов. Молекула скручивается примерно в два витка, за которыми следует короткая область (от 20 до 60 пар оснований), которая отделяет нуклеосомы друг от друга.

Чтобы понять эту организацию, мы должны принять во внимание, что молекула ДНК чрезвычайно длинная (около 2 метров) и должна быть намотана упорядоченным образом, чтобы закрепиться в ядре (диаметр которого составляет от 3 до 10 мкм). Кроме того, он должен быть доступен для репликации и транскрипции.

Эта цель достигается с помощью различных уровней уплотнения ДНК, первая из которых - вышеупомянутые нуклеосомы. Они напоминают бусинки на жемчужном ожерелье. Примерно 150 пар оснований ДНК наматываются в домашних условиях «на счет».

У бактерий нет правдивых историй. Напротив, существует ряд белков, напоминающих гистоны, и предполагается, что они вносят вклад в упаковку бактериальной ДНК.

Лучшая организация

Организация хроматина не ограничена на уровне нуклеосом. Эта ассоциация белков и ДНК сгруппированы вместе в более толстую структуру около 30 нм - из-за такой толщины ее называют уровнем «30 нм волокна».

Хроматин, организованный толщиной 30 нм, организован в виде петель, которые простираются в своего рода каркас белковой природы (а не гистоны).

Это модель, которая используется в настоящее время, хотя можно ожидать более сложных механизмов уплотнения. Окончательная организация состоит из хромосомы.

Ошибки в организации хроматина

Уплотнение и организация генетического материала жизненно важны для множества биологических функций. Различные заболевания были связаны с ошибками в структуре хроматина, в том числе с Х-сцепленной альфа-талассемией, синдромом Рубинштейна-Тайби, синдромом Коффина-Лоури, синдромом Ретта и другими.

Типы хроматина

В клетке выделяют два типа хроматина, выявляемые при нанесении красителей: эухроматин («настоящий» хроматин) и гетерохроматин. В первом случае окрашивание наблюдается слабо, а во втором - интенсивное.

Эта структурная организация ДНК уникальна для эукариотических организмов и имеет решающее значение для поведения хромосом и регуляции экспрессии генов.

Если мы оценим пропорции обоих типов хроматинов в клетке, которая находится на границе раздела, мы обнаружим, что приблизительно 90% хроматина составляет эухроматин, а оставшиеся 10% соответствуют гетерохроматину. Мы подробно опишем каждый тип ниже:

I. Гетерохроматин

характеристики

Основное различие, которое существует между обоими типами хроматина, связано со степенью уплотнения или «упаковки» молекулы на определенных стадиях деления клетки.

Хотя кажется, что генетический материал случайно разбросан на границе раздела, это не так.

На этом этапе наблюдается значительная организация, когда в ядре можно увидеть дифференциальное разделение хромосомного материала.

ДНК хромосом не переплетается с цепями ДНК других хромосом и остается в определенных областях, называемых хромосомными территориями. Эта организация, по-видимому, способствует экспрессии генов.

Гетерохроматин сильно конденсирован, что делает его недоступным для механизма транскрипции, поэтому он не транскрибируется. Кроме того, он беден количеством генов.

Типы гетерохроматина

Определенные области гетерохроматина сохраняются во всех клеточных клонах, то есть он всегда будет вести себя как гетерохроматин. Этот тип гетерохроматина известен как конститутивный. Примером этого являются конденсированные области хромосом, называемые центромерами и теломерами.

Напротив, есть части гетерохроматина, которые могут изменять уровень уплотнения в ответ на изменения в паттернах развития или переменных окружающей среды.

Благодаря новым исследованиям, эта точка зрения пересматривается, и теперь есть доказательства того, что конститутивный гетерохроматин также динамичен и способен реагировать на стимулы.

Структура

Одним из факторов, определяющих структуру хроматина, являются химические модификации гистонов. В случае хроматина, который транскрипционно неактивен, они обнаруживают гипоацетилированные гистоны.

Уменьшение количества ацетильных групп связано с молчанием генов, поскольку оно не маскирует положительный заряд лизинов, обеспечивая сильное электростатическое взаимодействие между ДНК и гистонами.

Другой эпигенетический бренд - метилирование. Однако, поскольку добавление метильной группы не изменяет заряд белка, его последствия (активация или деактивация генов) не столь очевидны и будут зависеть от области гистона, где обнаружена метка.

Эмпирическим путем было обнаружено, что метилирование H3K4me3 и H3K36me3 связано с активацией генов, а также с активацией H3K9me3 и H3K27me3.

Характеристики

В примере конститутивного гетерохроматина мы упоминаем центромеру. Эта хромосомная область играет структурную роль и вносит вклад в перемещение хромосом во время как митотических, так и мейотических событий деления клеток.

II. Эухроматин

характеристики

В отличие от гетерохроматина, эухроматин является менее компактной молекулой, поэтому аппарат транскрипции имеет легкий доступ (в частности, фермент РНК-полимераза) и может активно экспрессироваться генетически.

Структура

Структура нуклеосомы транскрипционно активного хроматина характеризуется ацетилированными гистонами. Присутствие монометилированных лизинов также связано с активацией генов.

Добавление ацетильной группы к этим остаткам гистонового лизина нейтрализует положительный заряд указанной аминокислоты. Непосредственным следствием этого изменения является уменьшение электростатических взаимодействий между гистоном и ДНК, что приводит к ослаблению хроматина.

Эта структурная модификация позволяет взаимодействовать генетическому материалу с аппаратом транскрипции, который отличается особенно громоздкостью.

Характеристики

Эухроматин включает в себя все гены, которые активны и достигаются ферментативным механизмом, связанным с транскрипцией. Следовательно, функции столь же широки, как и функции вовлеченных генов.

Ссылки

1. Гревал, С.И., и Моазед, Д. (2003). Гетерохроматин и эпигенетический контроль экспрессии генов. наука, 301 (5634), 798-802.
2. Йост, К.Л., Бертулат, Б., и Кардосо, М.К. (2012). Гетерохроматин и расположение генов: внутри, снаружи, с любой стороны? Хромосома, 121 (6), 555–563.
3. Левин, Б. (2008). Гены IX. Джонс и Бартлетт Издательство.
4. Толлефсбол ТО (2011). Справочник по эпигенетике. Академическая пресса.
5. Ван, Дж., Цзя, СТ, и Цзя, С. (2016). Новые взгляды на регуляцию гетерохроматина. Тенденции в генетике: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Чжан П., Торрес К., Лю X., Лю К.Г. и Поллок Р.Э. (2016). Обзор белков, регулирующих хроматин в клетках. Современная наука о белках и пептидах, 17 (5), 401–410.