ХРОМАТИН: ВРСТЕ, КАРАКТЕРИСТИКЕ, СТРУКТУРА, ФУНКЦИЈЕ - БИОЛОГИЈА - 2025

Хроматински је комплекс формиран помоћу ДНК и протеина једино у еукариотским организмима. Садржи скоро двоструко више протеина него што чини генетски материјал. Најважнији протеини у овом комплексу су хистони - мали, позитивно наелектрисани протеини који се вежу за ДНК електростатичким интеракцијама. Поред тога, хроматин има више од хиљаду протеина осим хистона.

Темељна јединица хроматина је нуклеосом који се састоји од споја хистона и ДНК. Овај распоред подсећа на перлице на огрлици. Након проласка кроз све више нивое ДНК организације, доћи ћемо до хромозома.

Извор: Цхроматин_нуцлеофиламентс.пнг: Цхрис Воодцоцкдеривативе ворк: Гоуттегд

Хроматинска структура уско је повезана са контролом експресије гена. Постоје две главне врсте: еухроматин и хетерохроматин.

За еухроматин је карактеристично да има низак степен сабијања, што се претвара у високе нивое транскрипције. Супротно томе, хетерохроматин је транскрипционо неактиван, због високог степена сабијања.

Структурно постоје одређене епигенетске трагове хистона карактеристичне за обе врсте хроматина. Док је еухроматин повезан са ацетилацијом, хетерохроматин је повезан са смањењем хемијских група.

Постоје неке области хетерохроматина са структурним функцијама, као што су теломери и центромери.

Историјска перспектива

Проучавање генетског материјала и његове структурне организације почело је 1831. године када је истраживач Роберт Бровн описао језгро. Једно од непосредних питања овог открића било је испитивање биолошке и хемијске природе ове структуре.

Ова питања су почела да се разјашњавају између 1870. и 1900. експериментима Фриедрицха Миесцхера, који је увео реч нуклеин. Међутим, Валтхер Флемминг модификује термин и користи хроматин за означавање нуклеарне супстанце.

Како време пролази, човек почиње да дубље познаје генетски материјал и његова својства. Тек 1908. када је италијански истраживач Паскуале Баццарини приметио да хроматин није хомоген и успео је да визуелно представи мала тела у језгру.

Врсте хроматина - еухроматин и хетерохроматин - првобитно је предложио Емил Хеитз 1928. године. Да би успоставио ову класификацију, Хеитз се ослањао на употребу мрља.

1974. биолог Рогер Корнберг предложио је модел организације генетског материјала у структурама познатим као нуклеозоми, хипотеза коју су емпиријски потврдили експерименти Маркуса Нолл-а.

Шта је хроматин?

Хроматинске компоненте: ДНК и протеини

Хроматин је нуклеопротеин настао сједињењем генетског материјала - ДНК - са хетерогеним сетом протеина. Ово удружење је веома динамично и добија сложену тродимензионалну конформацију која му омогућава да обавља своје регулаторне и структурне функције.

Један од најважнијих протеина у хроматину су хистони, који се налазе у готово истом пропорцији као ДНК.

Хистони су основни протеини, изванредно очувани током еволутивне историје органских бића - то јест, наши хистони се не разликују много у поређењу са осталим сисарима, чак и другим животињама удаљенијим филогенетским стањем.

Набој хистона је позитиван, тако да они могу комуницирати путем електростатских сила са негативним набојем фосфатне краљежнице присутном у ДНК. Постоји пет врста хистона, и то: Х1, Х2А, Х2Б, Х3 и Х4.

Такође постоји велики број протеина различите природе од хистона који учествују у сабијању ДНК.

Сабијање ДНК: нуклеозоми

Основна јединица хроматина су нуклеозоми - понављајуће структуре састављене од ДНК и хистона, конформација пронађена у генетском материјалу.

ДНК двострука спирала намотана је у комплекс од осам хистона познатих као хистонски октамер. Молекул се намотава у отприлике два завоја, након чега слиједи кратко подручје (између 20 и 60 базних парова) које одваја нуклеосоме један од другог.

Да бисмо разумели ову организацију, морамо узети у обзир да је молекул ДНК изузетно дугачак (око 2 метра) и мора бити намотан на уредан начин да би се успоставио у језгру (чији пречник је 3 до 10 ум). Надаље, мора бити доступан за репликацију и транскрипцију.

Овај циљ је постигнут различитим нивоима сабијања ДНК, а први су поменути нуклеозоми. Оне подсећају на перле на бисерној огрлици. Отприлике 150 базних парова ДНК рањено је код куће "броји".

Нема истинитих прича о бактеријама. Супротно томе, постоји низ протеина који подсећају на хистоне и за које се претпоставља да доприносе паковању бактеријске ДНК.

Врхунска организација

Организација хроматина није ограничена на нивоу нуклеозома. Ово удруживање протеина и ДНК групирано је у дебљу структуру од око 30 нм - због ове дебљине назива се „влакно 30 нм“.

Хроматин организован у дебљини од 30 нм организован је у облику петљи које се протежу у својеврсној скели протеинске природе (не хистони).

Ово је модел који се тренутно користи иако се могу очекивати сложенији механизми сабијања. Коначна организација састоји се од хромосома.

Грешке у организацији хроматина

Сабијање и организација генетског материјала је од виталног значаја за више биолошких функција. Различита здравствена стања повезана су са грешкама у структури хроматина, међу којима су Кс-везана алфа таласемија, Рубинстеин-Таиби синдром, Цоффин-Ловри синдром, Ретт синдром, између осталих.

Хроматински типови

Постоје две врсте хроматина у ћелији, откривене применом мрља: еухроматин („прави“ хроматин) и хетерохроматин. У првом случају бојење је слабо примећено, док је у другом бојање интензивно.

Ова структурална организација ДНК је јединствена за еукариотске организме и пресудна је за понашање хромозома и регулацију експресије гена.

Ако проценимо пропорције обе врсте хроматина у ћелији која је у интерфејсу, открићемо да отприлике 90% хроматина представља еухроматин, а преосталих 10% хетерохроматин. У наставку ћемо детаљно описати сваку врсту:

И. Хетерохроматин

карактеристике

Главна разлика која постоји између обе врсте хроматина је у степену сабијања или „паковања“ молекула током специфичних фаза у подели ћелија.

Иако се чини да се генетски материјал случајно распршује на интерфејсу, то није на овај начин.

У овој фази постоји значајна организација у којој се унутар језгре може видети диференцијална подјела хромосомског материјала.

ДНК хромозома не испреплиће се са ланцем ДНК других хромозома и остаје у специфичним регионима који се називају хромосомске територије. Чини се да ова организација доприноси експресији гена.

Хетерохроматин је јако кондензован, што га чини недоступним машинама за преписивање - па се не преписује. Такође, лош је по броју гена које поседује.

Врсте хетерохроматина

Одређене регије хетерохроматина су постојане током ћелијских родова - то јест, он ће се увек понашати попут хетерохроматина. Ова врста хетерохроматина позната је као конститутивна. Пример за то су кондензоване области хромозома зване центромери и теломери.

Супротно томе, постоје делови хетерохроматина који могу варирати ниво сабијања као одговор на промене у развојним обрасцима или променљивим у околини.

Захваљујући новим студијама, ово гледиште се преформулише и сада постоје докази да је конститутивни хетерохроматин такође динамичан и способан да одговори на подражаје.

Структура

Један од фактора који одређује структуру хроматина су хемијске модификације хистона. У случају хроматина који је транскриптивно неактиван, показују хипоацетилиране хистоне.

Смањење броја ацетил група повезано је са ћутањем гена, јер не маскира позитивно наелектрење лизина, омогућавајући снажну електростатску интеракцију између ДНК и хистона.

Друга епигенетска марка је метилација. Међутим, како додавање метилне групе не модификује наелектрисање протеина, његова последица (активирање или деактивација гена) није тако очигледна и зависиће од области хистона где се налази траг.

Емпиријски је утврђено да је метилација Х3К4ме3 и Х3К36ме3 повезана са активацијом гена и оном Х3К9ме3 и Х3К27ме3.

Карактеристике

На примјеру конститутивног хетерохроматина спомињемо центромере. Ова хромозомска регија има структурну улогу и доприноси кретању хромозома током догађаја митотичке и мејотске ћелије.

ИИ. Еуцхроматин

карактеристике

Супротно хетерохроматину, еухроматин је мање компактан молекул, па машини за транскрипцију имају лак приступ (конкретно ензим РНА полимераза) и може се активно генетски експримирати.

Структура

Структуру нуклеозома транскриптивно активног хроматина карактеришу ацетилирани хистони. Присуство монометилираних лизина такође је повезано са активацијом гена.

Додавање ацетил групе овим остацима хистона лизина неутралише позитивни набој поменуте аминокиселине. Непосредна последица ове промене је смањење електростатичке интеракције између хистона и ДНК, стварајући лабавији хроматин.

Ова структурална модификација омогућава интеракцију генетског материјала са транскрипционим машинама, за које је карактеристично да су нарочито гломазне.

Карактеристике

Еухроматин обухвата све гене који су активни и успевају да се достигну помоћу ензимских машина повезаних са транскрипцијом. Стога су функције широке колико и функције гена који су укључени.

Референце

1. Гревал, СИ, и Моазед, Д. (2003). Хетерохроматин и епигенетска контрола експресије гена. наука, 301 (5634), 798-802.
2. Јост, КЛ, Бертулат, Б. и Цардосо, МЦ (2012). Позиционирање хетерохроматина и гена: унутра, споља, на било којој страни ?. Хромосома, 121 (6), 555–563.
3. Левин, Б. (2008). Гени ИКС. Јонес и Бартлетт Публисхерс.
4. Толлефсбол, ТО (2011). Приручник за епигенетику. Академска штампа.
5. Ванг, Ј., Јиа, СТ и Јиа, С. (2016). Нови увиди у регулацију хетерохроматина. Трендови у генетици: ТИГ, 32 (5), 284–294.
6. Зханг, П., Торрес, К., Лиу, Кс., Лиу, ЦГ и Поллоцк, РЕ (2016). Преглед протеина који регулишу хроматин у ћелијама. Тренутна наука о протеинима и пептидима, 17 (5), 401–410.