ЧТО ТАКОЕ УПАКОВКА ДНК? - БИОЛОГИЯ - 2025

Упаковка ДНК представляет собой термин , который определяет контролируемое уплотнение ДНК в клетке. Ни в одной клетке (и даже в вирусах) ДНК не свободна, свободна и находится в истинном растворе.

ДНК - это чрезвычайно длинная молекула, которая также всегда взаимодействует с огромным количеством различных белков. Для обработки, наследования и контроля экспрессии генов, которые она несет, ДНК принимает определенную пространственную организацию. Это достигается клеткой путем строгого контроля каждого этапа упаковки ДНК на разных уровнях уплотнения.

Хроматин: от расслабленного (слева) до конденсированного (справа). Взято с сайта commons.wikimedia.org.

Вирусы имеют разные стратегии упаковки своих нуклеиновых кислот. Один из фаворитов - формирование компактных спиралей. Можно сказать, что вирусы - это нуклеиновые кислоты, упакованные в те самые белки, которые покрывают, защищают и мобилизуют их.

У прокариот ДНК связана с белками, которые определяют образование сложных петель в структуре, называемой нуклеоидом. С другой стороны, максимальный уровень уплотнения ДНК в эукариотической клетке - это митотическая или мейотическая хромосома.

Единственный случай, когда B-ДНК не упаковывается, - это исследовательская лаборатория, преследующая эту цель.

Структура ДНК

ДНК состоит из двух антипараллельных полос, образующих двойную спираль. Каждый из них имеет каркас фосфодиэфирной связи, к которому прикреплены сахара, связанные с азотистыми основаниями.

Внутри молекулы азотистые основания одной полосы образуют водородные связи (две или три) с дополнительной полосой.

В такой молекуле большинство важных валентных углов показывает свободное вращение. Связи азотного основания-сахара, сахар-фосфатная группа и фосфодиэфирные связи являются гибкими.

Это позволяет ДНК, рассматриваемой как гибкий стержень, проявлять некоторую способность сгибаться и скручиваться. Эта гибкость позволяет ДНК принимать сложные локальные структуры и формировать петли взаимодействия на коротких, средних и больших расстояниях.

Эта гибкость также объясняет, как 2 метра ДНК могут поддерживаться в каждой диплоидной клетке человека. В гамете (гаплоидной клетке) это будет метр ДНК.

Бактериальный нуклеоид

Хотя это не является незыблемым правилом, бактериальная хромосома существует как одна сверхспиральная двухзонная молекула ДНК.

Двойная спираль больше закручивается сама по себе (более 10 п.н. за оборот), что приводит к некоторому уплотнению. Локальные узлы также образуются благодаря манипуляциям, которые контролируются ферментативно.

Кроме того, в ДНК есть последовательности, которые позволяют доменам образовывать большие петли. Мы называем структуру, образовавшуюся в результате переохлаждения и упорядоченных петель, нуклеоидом.

Они претерпевают динамические изменения благодаря некоторым белкам, которые обеспечивают некоторую структурную стабильность уплотненной хромосомы. Степень уплотнения у бактерий и архей настолько высока, что на нуклеоид может приходиться более одной хромосомы.

Нуклеоид уплотняет прокариотическую ДНК по крайней мере примерно в 1000 раз. Сама топологическая структура нуклеоида является фундаментальной частью регуляции генов, которые несет хромосома. То есть структура и функция составляют одно целое.

Уровни уплотнения эукариотической хромосомы

ДНК в ядре эукариот не обнажена. Он взаимодействует со многими белками, важнейшими из которых являются гистоны. Гистоны - это небольшие положительно заряженные белки, которые неспецифически связываются с ДНК.

В ядре мы наблюдаем сложную ДНК: гистоны, которые мы называем хроматином. Высококонденсированный хроматин, который обычно не экспрессируется, является гетерохроматином. Напротив, наименее уплотненный (более рыхлый), или эухроматин, представляет собой хроматин с экспрессируемыми генами.

Хроматин имеет разную степень уплотнения. Самый элементарный - это нуклеосома; Далее следуют соленоидное волокно и межфазные петли хроматина. Максимальные уровни уплотнения отображаются только при делении хромосомы.

Нуклеосома

Нуклеосома - основная единица организации хроматина. Каждая нуклеосома состоит из октамера гистонов, образующих своего рода барабан.

Октамер состоит из двух копий каждого из гистонов H2A, H2B, H3 и H4. ДНК окружает их 1,7 раза. За ним следует часть свободной ДНК, называемая линкером из 20 п.н., связанная с гистоном H1, а затем другая нуклеосома. Количество ДНК в нуклеосоме и ДНК, которая связывает ее с другой, составляет около 166 пар оснований.

На этом этапе упаковки ДНК молекула уплотняется примерно в 7 раз. То есть мы переходим от одного метра до чуть более 14 см ДНК.

Эта упаковка возможна, потому что положительные гистоны нейтрализуют отрицательный заряд ДНК и последующее электростатическое самоотталкивание. Другая причина заключается в том, что ДНК может быть изогнута таким образом, что она может перевернуть октамер гистонов.

30 нм волокно

Волокно бусинок ожерелья, образованного множеством последовательных нуклеосом, наматывается в более компактную структуру.

Хотя нам не ясно, какую структуру он принимает на самом деле, мы знаем, что он достигает толщины около 30 нм. Это так называемое волокно 30 нм; Гистон H1 необходим для его образования и стабильности.

Волокно 30 нм является основной структурной единицей гетерохроматина. Нуклеосом слабых, эухроматин.

Связи и повороты

Однако волокно 30 нм не является полностью линейным. Напротив, он образует петли длиной около 300 нм, извилистые, на малоизвестной белковой матрице.

Эти петли на белковой матрице образуют более компактное волокно хроматина диаметром 250 нм. Наконец, они выстраиваются в одну спираль толщиной 700 нм, давая начало одной из сестринских хроматид митотической хромосомы.

В конечном итоге ДНК ядерного хроматина уплотняется около 10 000 раз на хромосоме делящейся клетки. В межфазном ядре его уплотнение также велико, поскольку оно примерно в 1000 раз больше, чем у «линейной» ДНК.

Мейотическое уплотнение ДНК

В мире биологии развития считается, что гаметогенез перезагружает эпигеном. То есть он стирает следы ДНК, которые произвела или пережила жизнь человека, породившего гамету.

Эти теги включают метилирование ДНК и ковалентные модификации гистонов (код для гистонов). Но не весь эпигеном сбрасывается. То, что остается с отметками, будет нести ответственность за отцовский или материнский генетический отпечаток.

Неявный возврат к гаметогенезу легче увидеть в сперме. В сперме ДНК не заполнена гистонами. Следовательно, информация, связанная с его модификациями в продуцирующем организме, обычно не передается по наследству.

В сперме ДНК упакована благодаря взаимодействию с неспецифическими ДНК-связывающими белками, называемыми протаминами. Эти белки образуют дисульфидные связи друг с другом, тем самым помогая формировать перекрывающиеся слои ДНК, которые не отталкиваются друг от друга электростатически.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Джонсон, А.Д., Льюис, Дж., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К., Уолтер, П. (2014) Молекулярная биология клетки (6-е издание). WW Norton & Company, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
2. Аннунциато, А. (2008) Упаковка ДНК: нуклеосомы и хроматин. Природное образование 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Брукер, Р.Дж. (2017). Генетика: анализ и принципы. Высшее образование Макгро-Хилл, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
4. Мартинес-Антонио, А. Медина-Ривера, А., Колладо-Видес, Дж. (2009) Структурная и функциональная карта бактериального нуклеоида. Геномная биология, DOI: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Мэтью-Фенн, Р.С., Дас, Р., Харбери, П.А.Б. (2008) Повторное измерение двойной спирали. Наука, 17: 446-449.
6. Трэверс, AA (2004) Структурная основа гибкости ДНК. Философские труды Лондонского королевского общества, серия A, 362: 1423-1438.
7. Траверс А., Мусхелишвили Г. (2015) Структура и функция ДНК. Журнал FEBS, 282: 2279-2295.