Čo je to obal DNA? (V prokaryotoch a eukaryotoch)



Obaly DNA je termín, ktorý definuje riadené zhutňovanie DNA vnútri bunky. V žiadnej bunke (a v skutočnosti ani vo vírusoch) nie je DNA voľná, laxná a v skutočnom roztoku.

DNA je extrémne dlhá molekula, ktorá okrem toho vždy interaguje s veľkým množstvom rôznych proteínov. Na spracovanie, dedenie a kontrolu expresie génov, ktoré nesie, prijíma DNA konkrétnu priestorovú organizáciu. To sa dosiahne tým, že bunka striktne kontroluje každý krok balenia DNA na rôznych úrovniach zhutňovania.

Vírusy majú rozdielne stratégie balenia pre svoje nukleové kyseliny. Jednou z obľúbených je tvorba kompaktných špirál. Dá sa povedať, že vírusy sú nukleové kyseliny zabalené v proteínoch, ktoré ich pokrývajú, chránia a mobilizujú.

V prokaryotoch je DNA spojená s proteínmi, ktoré určujú tvorbu komplexných slučiek v štruktúre nazývanej nukleoid. Na druhej strane maximálna úroveň zhutnenia DNA v eukaryotickej bunke je mitotický alebo meiotický chromozóm.

Jediný prípad, keď B-DNA nie je zabalená, je výskumné laboratórium, ktoré tento účel sleduje.

index

  • 1 Štruktúra DNA
  • 2 Bakteriálny nukleoid
  • 3 Stupne zhutnenia eukaryotického chromozómu
    • 3.1 Nukleozóm
    • 3.2 Vlákno 30 nm
    • 3.3 Väzby a obraty
  • 4 Meiotické zhutňovanie DNA
  • 5 Referencie

Štruktúra DNA

DNA je tvorená dvoma antiparalelnými pásmi, ktoré tvoria dvojitú špirálu. Každý z nich predstavuje kostru fosfodiesterových väzieb, na ktoré sa viažu cukry spojené s dusíkatými bázami.

Vo vnútri molekuly tvoria dusíkaté bázy jedného pásu vodíkové väzby (dva alebo tri) s komplementárnym pásmom.

V molekule, ako je táto, väčšina dôležitých uhlov väzby vykazuje voľnú rotáciu. Dusíkaté, cukor-fosfátové a fosfodiesterové väzbové väzby sú flexibilné.

To umožňuje, aby DNA, vnímaná ako ohybná tyč, vykazovala určitú schopnosť ohýbať a navíjať. Táto flexibilita umožňuje DNA prijímať komplexné lokálne štruktúry a vytvárať interakčné väzby na krátke, stredné a dlhé vzdialenosti.

Táto flexibilita tiež vysvetľuje, ako možno v každej diploidnej bunke ľudskej bytosti udržať 2 metre DNA. V gamete (haploidná bunka) by to bol DNA meter.

Bakteriálny nukleoid

Hoci to nie je nerozbitné pravidlo, bakteriálny chromozóm existuje ako dvojvláknová DNA molekula s jednou dvojvláknovou DNA.

Dvojitá špirála sa viac krúti na sebe (viac ako 10 bp na otáčku), čím sa vytvára určité zhutnenie. Miestne uzly sú tiež generované vďaka manipulácii, ktoré sú enzymaticky kontrolované.

Okrem toho sú v DNA sekvencie, ktoré umožňujú vytváranie domén vo veľkých slučkách. Nazývame štruktúru vyplývajúcu zo supererollamientu a usporiadaných slučiek nukleoidu.

Tieto prechádzajú dynamickými zmenami vďaka niektorým proteínom, ktoré poskytujú kompaktnú chromozómovú štruktúru. Stupeň zhutnenia baktérií a archaea je taký účinný, že na jeden nukleoid môže byť viac ako jeden chromozóm.

Nukleoid zhutňuje prokaryotickú DNA aspoň 1000-krát. Veľmi topologická štruktúra nukleoidu je základnou súčasťou regulácie génov, ktoré chromozóm nesie. To znamená, že štruktúra a funkcia tvoria tú istú jednotku.

Hladiny zhutnenia eukaryotického chromozómu

DNA v eukaryotickom jadre nie je nahá. Interaguje s mnohými proteínmi, z ktorých najdôležitejšie sú históny. Históny sú malé, pozitívne nabité proteíny, ktoré sa viažu na DNA nešpecifickým spôsobom.

V jadre, čo pozorujeme, je DNA komplex: históny, ktoré nazývame chromatín. Vysoko kondenzovaný chromatín, ktorý sa zvyčajne neexprimuje, je heterochromatín. Naopak, najmenej zhutnený (voľnejší) alebo euchromatín je chromatín s génmi, ktoré sú exprimované.

Chromatín má niekoľko úrovní zhutňovania. Najzákladnejším je nukleozóm; nasleduje solenoidové vlákno a medzifázové chromatínové slučky. Iba vtedy, keď je chromozóm rozdelený, je uvedené, že sú zobrazené maximálne úrovne zhutnenia.

Nukleozóm

Nukleozóm je základná jednotka organizácie chromatínu. Každý nukleozóm je tvorený oktamérom histónov, ktoré tvoria druh bubna.

Oktamér je tvorený dvoma kópiami každého z histónov H2A, H2B, H3 a H4. Okolo nich DNA poskytuje takmer 1,7 kôl. Nasleduje frakcia voľnej DNA nazývanej linker 20 pb asociovaný s histónom H1 a potom ďalší nukleozóm. Množstvo DNA v nukleozóme a číslo, ktoré sa k nemu pripojí, je približne 166 párov báz.

Tento krok balenia kompaktnej DNA do molekuly asi 7 krát. To znamená, že sme šli z metra na viac ako 14 cm DNA.

Toto balenie je možné, pretože pozitívne históny rušia záporný náboj DNA a následný elektrostatický vlastný impulz. Ďalším dôvodom je, že DNA sa môže ohýbať takým spôsobom, že môže spinovať histónový oktamér.

Vlákno 30 nm

Vlákno perličiek v náhrdelníku, ktoré tvoria mnoho po sebe idúcich nukleozómov, je naviac navinuté do kompaktnejšej štruktúry.

Hoci nevieme, akú štruktúru skutočne prijíma, vieme, že dosahuje hrúbku približne 30 nm. Toto je tzv. 30 nm vlákno; histón H1 je nevyhnutný pre jeho tvorbu a stabilitu.

30 nm vlákno je základnou štruktúrnou jednotkou heterochromatínu. To laxných nukleozómov, euchromatínu.

Väzby a obraty

30 nm vlákno však nie je úplne lineárne. Na druhej strane vytvára slučky s dĺžkou približne 300 nm, serpentínovým spôsobom, na málo známej proteínovej matrici.

Tieto slučky na proteínovej matrici tvoria kompaktnejšie chromatínové vlákno s priemerom 250 nm. Nakoniec sú zarovnané spôsobom jednoduchej špirály s hrúbkou 700 nm, čo vedie k jednej zo sesterských chromatidov mitotického chromozómu..

Nakoniec sa DNA v jadrovom chromatíne zhutní asi 10 000 krát v chromozóme deliacej bunky. V medzifázovom jadre je jeho zhutnenie tiež vysoké, pretože je približne 1000-krát v porovnaní s "lineárnou" DNA.

Meiotické zhutňovanie DNA

Vo svete vývojovej biológie sa hovorí, že gametogenéza resetuje epigenóm. To znamená, že vymaže DNA značky, ktoré život pôvodcu gamety vytvoril alebo zažil.

Tieto markery zahŕňajú metyláciu DNA a kovalentné modifikácie histónov (kód histónu). Ale nie celý epigenóm je resetovaný. Čo zostane so značkami, bude zodpovedať za otcovskú alebo materskú genetickú stopu.

Implicitný reset na gametogenézu je ľahšie vidieť v spermiách. V spermiách nie je DNA plná histónov. Preto informácie, ktoré sú spojené s jeho úpravami vo výrobnom organizme, vo všeobecnosti nie sú dedičné.

V spermii DNA je balená vďaka interakcii s nešpecifickými DNA väzbovými proteínmi nazývanými protamíny. Tieto proteíny spolu vytvárajú disulfidové mostíky, čím pomáhajú vytvárať superponované vrstvy DNA, ktoré sa elektrostaticky neodpudzujú.

referencie

  1. Alberts, B., Johnson, A. D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. vydanie). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
  2. Annunziato, A. (2008) DNA Balenie: Nukleozómy a chromatín. Vzdelávanie v prírode 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
  3. Brooker, R. J. (2017). Genetika: analýza a zásady. McGraw-Hill Vyššie vzdelávanie, New York, NY, USA.
  4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Štruktúrna a funkčná mapa bakteriálneho nukleoidu. Genómová biológia, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
  5. Mathew-Fenn, R.S., Das, R., Harbury, P. A. B. (2008) Premenenie dvojitej špirály. Science, 17: 446-449.
  6. Travers, A. A. (2004) Štrukturálny základ flexibility DNA. Filozofické transakcie Kráľovskej spoločnosti v Londýne, séria A, 362: 1423-1438.
  7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) Štruktúra a funkcia DNA. FEBS Journal, 282: 2279-2295.