ШТА ЈЕ ДНК ПАКОВАЊЕ? - БИОЛОГИЈА - 2025

Паковање ДНК је термин који дефинише контролисано збијање ДНК у ћелији. Ни у једној ћелији (и заиста, чак ни у вирусима) није ДНК слободан, лабав и прави раствор.

ДНК је изузетно дуг молекул који такође увек делује са огромним бројем различитих протеина. За обраду, наслеђивање и контролу експресије гена које носи, ДНК усваја одређену просторну организацију. То ћелија постиже строгом контролом сваког корака паковања ДНК на различитим нивоима сабијања.

Хроматин: од опуштеног (лево) до кондензованог (десно). Преузето са цоммонс.викимедиа.орг

Вируси имају различите стратегије пакирања за своје нуклеинске киселине. Један од фаворита је онај који ствара компактне спирале. Могло би се рећи да су вируси нуклеинске киселине упаковане у саме протеине који их покривају, штите и мобилишу.

У прокариотима је ДНК повезана са протеинима који одређују стварање сложених петљи у структури која се назива нуклеоид. С друге стране, максимални ниво сабијања ДНК у еукариотској ћелији је митотски или мејотски хромозом.

Једина инстанца у којој Б-ДНК није упакован је истраживачка лабораторија која тежи том циљу.

Структура ДНК

ДНК је састављен од две антипаралне траке које творе двоструку спиралу. Сваки од њих има костур фосфодиестерске везе на који су причвршћени шећери повезани са азотним базама.

Унутар молекуле, азотне базе једног опсега формирају водоничне везе (две или три) са комплементарном траком.

У овом молекулу већина важних углова везе показује слободну ротацију. Везе базо-шећера, шећер-фосфатне групе и фосфодиестер су флексибилне.

То омогућава ДНК, који се види као флексибилан штап, да покаже неку способност савијања и увијања. Ова флексибилност омогућава ДНК да усвоји сложене локалне структуре и да формира петље за интеракцију на кратким, средњим и дугим удаљеностима.

Ова флексибилност такође објашњава како се 2 метра ДНК могу одржавати у свакој диплоидној ћелији човека. У гамети (хаплоидној ћелији) то би био метар ДНК.

Бактеријски нуклеоид

Иако то није нераскидиво правило, бактеријски хромозом постоји као један суперпрекривени двопојасни молекул ДНК.

Двострука спирала више се окреће на себи (више од 10 бп по обртају), стварајући тако нешто сабијања. Локални чворови се такође стварају захваљујући манипулацијама које се ензимски контролишу.

Поред тога, у ДНК постоје секвенце које омогућавају формирање домена у великим петљама. Структуру која настаје као резултат суперцоил-а зовемо петље нуклеоидом.

Они се подвргавају динамичким променама захваљујући неким протеинима који пружају одређену структурну стабилност компакованом хромозому. Степен сабијања у бактеријама и археама је толико ефикасан да по нуклеоиду може бити више хромозома.

Нуклеоид сабија прокариотску ДНК најмање око 1000 пута. Сама тополошка структура нуклеоида је основни део регулације гена које хромозом носи. Односно, структура и функција чине исту јединицу.

Нивои сабијања еукариотског хромозома

ДНК у еукариотском језгру није гол. Интеракција је са многим протеинима, од којих су најважнији хистони. Хистони су мали, позитивно наелектрисани протеини који се на ДНК вежу на неспецифичан начин.

У језгру је оно што ми посматрамо сложен ДНК: хистони, које називамо хроматин. Јако кондензовани хроматин, који углавном није експримиран, је хетерохроматин. Супротно томе, најмање збијени (лабавији) или еухроматин је хроматин са генима који су изражени.

Хроматин има различите нивое сабијања. Најелементарније је оно о нуклеозому; Следе магнетна влакна и међуфазне хроматинске петље. Тек када се хромосом дели, приказани су максимални нивои сабијања.

Нуклеозом

Нуклеозом је основна јединица организације хроматина. Сваки нуклеозом састоји се од октамера хистона који формирају неку врсту бубња.

Октамер се састоји од две копије сваког од хистона Х2А, Х2Б, Х3 и Х4. Око њих се ДНК креће око 1,7 пута. Након тога следи део слободне ДНК који се зове 20 бп линкер повезан са хистоном Х1, а затим још једним нуклеозомом. Количина ДНК у нуклеозому и она која га веже за другог је око 166 базних парова.

Овај корак паковања ДНК компактује молекул око 7 пута. Односно, прелазимо са једног метра на нешто више од 14 цм ДНК.

Ово паковање је могуће јер позитивни хистони укидају негативан набој ДНК и последичну електростатичку саморегулацију. Други разлог је што се ДНК може савити на такав начин да може окренути октамер хистона.

30 нм влакана

Влакне куглице у огрлици коју формирају многи узастопни нуклеозоми даље су намотани у компактнију структуру.

Иако нисмо сигурни коју структуру заправо усваја, знамо да достиже дебљину од око 30 нм. Ово је такозвано влакно од 30 нм; Хистон Х1 је неопходан за његово формирање и стабилност.

Влакна од 30 нм су основна структурна јединица хетерохроматина. Она лакса нуклеозома, она еухроматина.

Везе и завоји

Влакна од 30 нм, међутим, нису у потпуности линеарна. Супротно томе, формира петље дужине око 300 нм, меандрирајуће, на мало познатом протеинском матриксу.

Ове петље на протеинској матрици формирају компактније кроматинско влакно у пречнику од 250 нм. Коначно, поравнавају се као јединствена спирала дебљине 700 нм, стварајући један од сестринских хроматида митотичког хромозома.

Коначно, ДНК у нуклеарном хроматину се сажима око 10 000 пута на хромозом дељиве ћелије. У интерфазном језгру је његова компакција такође велика јер је око 1000 пута у поређењу са "линеарном" ДНК.

Мејотско сабијање ДНК

У свету развојне биологије, каже се да гаметогенеза ресетује епигеноме. То јест, брише ДНК трагове које је живот особе која је родила гамету произвео или доживео.

Те ознаке укључују метилацију ДНК и ковалентне модификације хистона (Код за хистоне). Али није ресетиран цео изворни извор. Оно што остане на траговима биће одговорно за генетски отисак мајке или мајке.

Имплицитно ресетовање гаметогенезе лакше се види у сперми. У сперми се ДНК не пакује са хистонима. Стога, информације повезане са његовим модификацијама у организму који настаје углавном нису наслеђене.

У сперми се ДНК спакује захваљујући интеракцији са неспецифичним протеинима који се везују за протеин који се називају протаминима. Ови протеини формирају дисулфидне везе једни са другима, помажући тако да се формирају преклапајући слојеви ДНК који се електростатички не одбијају.

Референце

1. Албертс, Б., Јохнсон, АД, Левис, Ј., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К., Валтер, П. (2014) Молекуларна биологија ћелије (6. издање). ВВ Нортон & Цомпани, Нев Иорк, НИ, САД.
2. Аннунзиато, А. (2008) Паковање ДНК: Нуклеозоми и хроматин. Образовање природе 1:26. (хттпс://ввв.натуре.цом/сцитабле/топицпаге/дна-пацкагинг-нуцлеосомес-анд-цхроматин-310).
3. Броокер, РЈ (2017). Генетика: анализа и принципи. МцГрав-Хилл Хигх Едуцатион, Нев Иорк, НИ, УСА.
4. Мартинез-Антонио, А. Медина-Ривера, А., Цолладо-Видес, Ј. (2009) Структурна и функционална мапа бактеријског нуклеоида. Геноме Биологи, дои: 10.1186 / гб-2009-10-12-247.
5. Матхев-Фенн, Р. С, Дас, Р., Харбури, ПАБ (2008) Ремеасуринг доубле спирал. Наука, 17: 446-449.
6. Траверс, АА (2004) Структурна основа флексибилности ДНК. Филозофске трансакције Лондонског краљевског друштва, Серија А, 362: 1423-1438.
7. Траверс, А., Мускхелисхвили, Г. (2015) ДНК структура и функција. ФЕБС Јоурнал, 282: 2279-2295.