Какво е хроматин? Функции на хроматина. Три фракции на еукариотна ДНК, тяхното локализиране в хромозомите и функциите на нуклеозомите по време на репликация и транскрипция

21.02.2022

1. Видове хроматин

2. Гени, спейсъри

3. Последователност на нуклеотидите в ДНК

4. Пространствена организация на ДНК

1. По време на почивка между актовете на делене определени участъци от хромозоми и цели хромозоми остават компактни. Тези области на хроматина се наричат хетерохроматин. Рисува добре.

След ядреното делене хроматинът се разхлабва и в тази форма се нарича еухроматин. Хетерохроматинът е неактивен по отношение на транскрипцията и по отношение на репликацията на ДНК той се държи различно от еухроматина.

Факултативен хетерохроматине хетерохроматичен само на моменти. Той е информативен, т.е. съдържа гени. Когато влезе в еухроматично състояние, тези гени могат да станат достъпни за транскрипция. От две хомоложни хромозоми едната може да бъде хетерохроматична. Тази факултативна хетерохроматизация е тъканно специфична и не се среща в определени тъкани.

Конститутивен хетерохроматинвинаги хетерохроматичен. Състои се от многократно повтарящи се последователности от бази, не е информативен (не съдържа гени) и следователно винаги е неактивен по отношение на транскрипцията. Можете да го видите Ипо време на ядрено делене. Той се среща:

Най-често в центромера;

В краищата на хромозомите (включително сателитите);

В близост до организатора на ядрото;

Близо до гена 5S-RNA.

Хетерохроматинът, предимно факултативен, по време на интерфазата може да се обедини в интензивно оцветен хромоцентър, който в повечето случаи се намира на ръба на клетъчното ядро или ядро.

2. Всяка хромозома е непрекъсната двойна спирала на ДНК,който при висшите организми се състои от повече от 10 8 базови двойки. В хромозомите на висшите растения и животни всяка двойна спирала на ДНК (2 nm в диаметър) има дължина от един до няколко сантиметра. В резултат на многократно усукване той се пакетира в хроматид с дължина няколко микрометра.

Гените са линейно разпределени по тази двойна спирала, които заедно съставляват до 25% от ДНК.

гене функционалната единица на ДНК,съдържащи информация за синтеза на полипептид или РНК. Средната дължина на гена е около 1000 базови двойки. Последователността на базите във всеки ген е уникална.

Между гените са дистанционери- неинформативни участъци на ДНК с различна дължина (понякога повече от 20 000 базови двойки), които са важни за регулиране на транскрипцията на съседен ген.

Транскрибирани разделителисе прекратяват по време на транскрипцията заедно с гена и техните комплементарни копия се появяват в пре-i-РНК от двете страни на генното копие. Дори в самия ген има (само при еукариотите и техните вируси) неинформативни последователности, така наречените интрони, които също се транскрибират. По време на обработката всички копия на интроните и повечето копия на спейсерите се изрязват от ензими.

Непреписваеми спейсеривъзникват между гени за хистони, както и между гени за рРНК.

Излишни гениса представени от голям брой (до 10 4 или повече) идентични копия. Това са гени:

За тРНК;

5S-РНК и хистони;

За продукти, синтезирани в големи количества.

Копията са разположени непосредствено едно до друго и са разрешени с еднакви разделители. В морския таралеж гените за хистоните H4, H2b, H2a и Hi лежат един след друг и тази генна последователност се повтаря в ДНК повече от 100 пъти.

3. Повтарящи се последователности - Това са последователности от нуклеотиди, присъстващи многократно в ДНК. Умерено повтарящи сепоследователности - последователности със средна дължина 300 базови двойки с 10 2 -10 4 повторения. Те включват излишни гени, както и повечето спейсъри.

Силно повтарящи сепоследователности с 10 5 -10 6 повторения образуват конститутивен хетерохроматин. Те винаги неинформативен.Това са предимно къси последователности, най-често в тях се срещат 7-10 и рядко - само 2 (например AT) или, обратно, над 300 нуклеотидни двойки. Те се групират заедно, като една повтаряща се последователност следва непосредствено другата. Силно повтарящите се хроматинови ДНК се наричат „сателитни ДНК“ поради тяхното поведение по време на аналитични процедури на фракциониране. Около 75% от целия хроматин не участва в транскрипцията: това са силно повтарящи се последователности и нетранскрипционни спейсери.

4. В изолиран хроматинучастъци от двойната спирала на ДНК се увиват около хистонови молекули, така че тук се появява суперспирала от първи ред. Комплекси от ДНК с хистон се наричат нуклеозоми. Те имат формата на диск или леща и размерите са около 10 x 10 x 5 nm. Една нуклеозома включени:

8 молекули хистони:

Централен тетрамер от две Н3 и две Н4 молекули; и отделно два Н2а и Н2b;

Част от ДНК (около 140 базови двойки), която образува приблизително 1,25 навивки на спирала и е здраво свързана с централния тетрамер.

Между нуклеозомите има участъци от спирала от 30-100 базови двойки без суперспирална структура; Хистонът се свързва тук Здравей

В зашит хроматинДНК допълнително се съкращава чрез малко разбрано допълнително навиване (суперспирала от по-висок порядък), което очевидно е фиксирано от хистон Hi (и някои нехистонови протеини). По време на прехода към интерфаза еухроматинът се разхлабва, тъй като някои от суперспиралите от по-висок порядък се развиват. Това вероятно се случва в резултат на конформационни промени в хистоните и отслабване на взаимодействията между Hi молекули.Хроматиновите структури с дебелина 10-25 nm (основни хроматинови нишки или спирали) също са видими по време на интерфазата.

В хроматиновия препарат ДНК обикновено представлява 30-40%. Тази ДНК е двуверижна спирална молекула. ДНК на еукариотните клетки е хетерогенна по състав, съдържаща няколко класа нуклеотидни последователности: често повтарящи се последователности (>106 пъти), включени в сателитната ДНК фракция и нетранскрибирани; фракция от умерено повтарящи се последователности (102-105), представляващи блокове от истински гени, както и къси последователности, разпръснати из целия геном; част от уникални последователности, които носят информация за повечето клетъчни протеини.

Хроматин

Хроматинът се състои от ДНК в комплекс с протеин. В интерфазните клетки хроматинът може равномерно да запълни обема на ядрото или да бъде разположен в отделни бучки (хромоцентрове). Често той е особено ясно видим в периферията на ядрото (париетален, близо до мембраната хроматин) или образува преплитане на доста дебели (около 0,3 µm) и дълги нишки вътре в ядрото, образувайки подобие на вътрешноядрена верига.

В интерфазата се образува ядро в зоната на нуклеоларния организатор. Еухроматинът е декондензирани, деспирализирани участъци от ДНК, от които се чете генетична информация за аминокиселинния състав на протеина (транскрипция). Еухроматинът е функционално активната част на хромозомата.

Хетерохроматинът е кондензирани спирализирани участъци от ДНК. Хетерохроматинът е функционално неактивната част на хромозомата. Хетерохроматинът е интензивно оцветен с основни багрила, докато еухроматинът няма това свойство и изглежда като светли, неоцветени зони сред бучки хетерохроматин.

Хроматинът на интерфазните ядра е тяло, носещо ДНК (хромозоми), което по това време губи своята компактна форма, разхлабва се и декондензира. Степента на такава хромозомна декондензация може да варира в ядрата на различните клетки. Когато една хромозома или част от нея е напълно декондензирана, тогава тези зони се наричат дифузен хроматин. Когато хромозомите са непълно разхлабени, в интерфазното ядро се виждат участъци от кондензиран хроматин (понякога наричан хетерохроматин). Колкото по-дифузен е хроматинът на интерфазното ядро, толкова по-високи са синтетичните процеси в него. Хроматинът се кондензира до максимум по време на митотичното клетъчно делене, когато се намира под формата на плътни тела - хромозоми.

в работно, частично или напълно декондензирано състояние, когато процесите на транскрипция и редупликация протичат с участието им в интерфазното ядро;

в неактивни - в състояние на метаболитен покой при максималната им кондензация, когато изпълняват функцията на разпределение и пренос на генетичен материал към дъщерните клетки.

Химически хроматиновите препарати са сложни комплекси от дезоксирибонуклеопротеини, които включват ДНК и специални хромозомни протеини - хистони.

Хроматинови протеини

Те включват хистони и нехистонови протеини.

Хистоните са силно основни протеини. Тяхната алкалност е свързана с обогатяването им с незаменими аминокиселини (главно лизин и аргинин). Тези протеини не съдържат триптофан. Общият хистонов препарат може да бъде разделен на 5 фракции:

H1 (от английски хистон) - богат на лизин хистон,

H2a - умерено богат на лизин хистон, H2b - умерено богат на лизин хистон,

H4 - богат на аргинин хистон, H3 - богат на аргинин хистон,

Хистоните се синтезират върху полизоми в цитоплазмата; този синтез започва малко по-рано от редупликацията на ДНК. Синтезираните хистони мигрират от цитоплазмата към ядрото, където се свързват с участъци от ДНК.

Нехистоновите протеини са най-слабо характеризираната фракция на хроматина.

Ямдришки

Регионите на хромозомите, където се осъществява синтеза на рибозомни рибонуклеинови киселини (рРНК). Те се намират вътре в клетъчното ядро и нямат собствена мембранна мембрана, но се виждат ясно под светлинен и електронен микроскоп].

Основната функция на ядрото е синтезът на рибозомна РНК и рибозоми, върху които се извършва синтеза на полипептидни вериги в цитоплазмата. В клетъчния геном има специални области, така наречените нуклеоларни организатори, съдържащи рибозомни РНК (рРНК) гени, около които се образуват нуклеоли. В нуклеола рРНК се синтезира от РНК полимераза I, нейното съзряване и сглобяването на рибозомни субединици. Протеините, които участват в тези процеси, са локализирани в ядрото. Някои от тези протеини имат специална последователност - сигнал за нуклеоларна локализация. Електронната микроскопия дава възможност да се идентифицират два основни компонента в нуклеола: гранулиран (по периферията) - узряване на рибозомни субединици и фибриларен (в центъра) - рибонуклеопротеинови вериги на рибозомни прекурсори.

Гранулираният компонент е представен от зърна (диаметър 10-20 nm), състоящи се от рибонуклеопротеинови частици (рибозомни субединици). Фибриларната част се състои от плътни тънки електронно-плътни нишки (диаметър 5-8 nm), образуващи компактна маса. Тези влакна са концентрирани около по-леки сърцевини от по-малко плътен материал (фибриларни центрове). Смята се, че фибриларният материал е РНК (рибозомна РНК), а фибриларните центрове се състоят от ДНК и съответстват по структура на хроматиновите зърна.

Аморфният компонент е оцветен бледо и съдържа области от нуклеоларни организатори със специфични РНК-свързващи протеини и големи ДНК бримки, които участват активно в транскрипцията на рибозомна РНК.Фибриларните и гранулираните компоненти образуват нуклеоларна нишка (нуклеонема), чиято дебелина е 60-80 nm.

Основната функция на ядрото е синтезът на рибозоми. В клетъчния геном има специални области, така наречените нуклеоларни организатори, съдържащи рибозомни РНК (рРНК) гени, около които се образуват нуклеоли. В нуклеола рРНК се синтезира от РНК полимераза I, нейното съзряване и сглобяването на рибозомни субединици. Протеините, участващи в тези процеси, са локализирани в нуклеола.

Генетичният материал на еукариотните организми има много сложна организация. ДНК молекулите, разположени в клетъчното ядро, са част от специално многокомпонентно вещество - хроматин.

Дефиниция на понятието

Хроматинът е материалът на клетъчното ядро, съдържащ наследствена информация, който представлява сложен функционален комплекс от ДНК със структурни протеини и други елементи, които осигуряват опаковането, съхранението и внедряването на кариотния геном. В опростена интерпретация това е веществото, от което са изградени хромозомите. Терминът идва от гръцкия "хром" - цвят, боя.

Концепцията е въведена от Флеминг през 1880 г., но все още има дебат за това какво е хроматин по отношение на биохимичния състав. Несигурността засяга малка част от компонентите, които не участват в структурирането на генетичните молекули (някои ензими и рибонуклеинови киселини).

При електронната фотография на интерфазното ядро хроматинът се визуализира като множество области от тъмна материя, които могат да бъдат малки и разпръснати или комбинирани в големи плътни клъстери.

Кондензацията на хроматин по време на клетъчното делене води до образуването на хромозоми, които се виждат дори в конвенционален светлинен микроскоп.

Структурни и функционални компоненти на хроматина

За да определят какво представлява хроматинът на биохимично ниво, учените извличат това вещество от клетките, прехвърлят го в разтвор и в тази форма изследват неговия компонентен състав и структура. Използвани са както химични, така и физични методи, включително технологии за електронна микроскопия. Оказа се, че химичният състав на хроматина е 40% представен от дълги ДНК молекули и почти 60% от различни протеини. Последните се делят на две групи: хистони и нехистони.

Хистоните са голямо семейство от основни ядрени протеини, които се свързват здраво с ДНК, образувайки структурния скелет на хроматина. Техният брой е приблизително равен на процента на генетичните молекули.

Останалата част (до 20%) от протеиновата фракция се състои от ДНК-свързващи и пространствено модифициращи протеини, както и ензими, участващи в процесите на четене и копиране на генетична информация.

В допълнение към основните елементи, рибонуклеинови киселини (РНК), гликопротеини, въглехидрати и липиди се намират в малки количества в хроматина, но въпросът за тяхната връзка с ДНК опаковъчния комплекс все още е отворен.

Хистони и нуклеозоми

Молекулното тегло на хистоните варира от 11 до 21 kDa. Големият брой основни аминокиселинни остатъци лизин и аргинин придават на тези протеини положителен заряд, насърчавайки образуването на йонни връзки с противоположно заредените фосфатни групи на двойната спирала на ДНК.

Има 5 вида хистони: H2A, H2B, H3, H4 и H1. Първите четири типа участват в образуването на основната структурна единица на хроматина - нуклеозомата, която се състои от ядро (протеиново ядро) и ДНК, обвита около него.

Ядрото на нуклеозомата е представено от октамерен комплекс от осем хистонови молекули, който включва тетрамер H3-H4 и димер H2A-H2B. ДНК секция от около 146 нуклеотидни двойки се навива върху повърхността на протеиновата частица, образувайки 1,75 навивки и преминава в линкерна последователност (приблизително 60 bp), свързваща нуклеозомите една с друга. Молекулата Н1 се свързва с линкерната ДНК, предпазвайки я от действието на нуклеазите.

Хистоните могат да претърпят различни модификации, като ацетилиране, метилиране, фосфорилиране, ADP-рибозилиране и взаимодействие с убиквитин протеин. Тези процеси влияят върху пространствената конфигурация и плътността на опаковане на ДНК.

Нехистонови протеини

Има няколкостотин вида нехистонови протеини с различни свойства и функции. Тяхното молекулно тегло варира от 5 до 200 kDa. Специална група се състои от сайт-специфични протеини, всеки от които е комплементарен към специфичен регион на ДНК. Тази група включва 2 семейства:

“цинкови пръсти” – разпознават фрагменти с дължина 5 нуклеотидни двойки;
хомодимери – характеризиращи се със структура спирала-завой-спирала във фрагмента, свързан с ДНК.

Най-добре проучени са така наречените протеини с висока подвижност (HGM протеини), които са постоянно свързани с хроматина. Семейството получи това име поради високата скорост на движение на протеиновите молекули в гел за електрофореза. Тази група заема по-голямата част от нехистоновата фракция и включва четири основни типа HGM протеини: HGM-1, HGM-14, HGM-17 и HMO-2. Те изпълняват структурни и регулаторни функции.

Нехистоновите протеини също включват ензими, които осигуряват транскрипция (процес на синтез на информационна РНК), репликация (удвояване на ДНК) и възстановяване (елиминиране на увреждане в генетичната молекула).

Нива на уплътняване на ДНК

Особеността на структурата на хроматина е такава, че позволява нишки на ДНК с обща дължина над един метър да се поберат в ядро с диаметър около 10 микрона. Това е възможно благодарение на многоетапна система за опаковане на генетични молекули. Общата схема на уплътняване включва пет нива:

нуклеозомна нишка с диаметър 10–11 nm;
фибрил 25–30 nm;
кръгови домейни (300 nm);
влакно с дебелина 700 nm;
хромозоми (1200 nm).

Тази форма на организация осигурява намаляване на дължината на оригиналната ДНК молекула с 10 хиляди пъти.

Нишка с диаметър 11 nm се образува от редица нуклеозоми, свързани с ДНК линкерни области. На електронна микроснимка такава структура прилича на мъниста, нанизани на въдица. Нуклеозомната нишка се сгъва в спирала като соленоид, образувайки фибрила с дебелина 30 nm. Хистон Н1 участва в образуването му.

Соленоидната фибрила се сгъва в бримки (иначе известни като домейни), които са закотвени към поддържащата вътрешноядрена матрица. Всеки домейн съдържа от 30 до 100 хиляди базови двойки. Това ниво на уплътняване е характерно за интерфазния хроматин.

Структура с дебелина 700 nm се образува чрез спирализиране на фибрила на домен и се нарича хроматид. От своя страна двете хроматиди образуват петото ниво на организация на ДНК - хромозома с диаметър 1400 nm, която става видима на етапа на митоза или мейоза.

По този начин хроматинът и хромозомата са форми на опаковане на генетичен материал, които зависят от жизнения цикъл на клетката.

Хромозоми

Хромозомата се състои от две идентични сестрински хроматиди, всяка от които е образувана от една свръхнавита ДНК молекула. Половинките са свързани чрез специално фибрилно тяло, наречено центромер. В същото време тази структура е стеснение, което разделя всеки хроматид на рамена.

За разлика от хроматина, който е структурен материал, хромозомата е дискретна функционална единица, характеризираща се не само със структура и състав, но и с уникален генетичен набор, както и с определена роля в осъществяването на механизмите на наследствеността и променливостта при клетъчно ниво.

Еухроматин и хетерохроматин

Хроматинът в ядрото съществува в две форми: по-малко спираловиден (еухроматин) и по-компактен (хетерохроматин). Първата форма съответства на транскрипционно активни региони на ДНК и следователно не е толкова тясно структурирана. Хетерохроматинът е разделен на факултативен (може да премине от активна форма в плътна неактивна, в зависимост от етапа на жизнения цикъл на клетката и необходимостта от внедряване на определени гени) и конститутивен (постоянно уплътнен). По време на митотично или мейотично делене целият хроматин е неактивен.

Конститутивният хетерохроматин се намира близо до центромерите и в крайните области на хромозомата. Резултатите от електронната микроскопия показват, че такъв хроматин запазва висока степен на кондензация не само на етапа на клетъчно делене, но и по време на интерфазата.

Биологична роля на хроматина

Основната функция на хроматина е да опакова плътно големи количества генетичен материал. Обаче простото поставяне на ДНК в ядрото не е достатъчно, за да функционира клетката. Необходимо е тези молекули да „работят” правилно, т.е. да могат да предават съдържащата се в тях информация чрез системата ДНК-РНК-протеин. Освен това клетката трябва да разпредели генетичен материал по време на деленето.

Структурата на хроматина напълно отговаря на тези задачи. Протеиновата част съдържа всички необходими ензими, а структурните характеристики им позволяват да взаимодействат с определени участъци от ДНК. Следователно втората важна функция на хроматина е да осигури всички процеси, свързани с изпълнението на ядрения геном.

В хроматиновия препарат ДНК обикновено представлява 30-40%. Тази ДНК е двуверижна спирална молекула. Хроматиновата ДНК има молекулно тегло 7-9*106. Такава относително малка маса на ДНК от препаратите може да се обясни с механично увреждане на ДНК по време на процеса на изолиране на хроматин.

Общото количество ДНК, включено в ядрените структури на клетките, в генома на организмите, варира от вид до вид. Когато се сравнява количеството ДНК на клетка в еукариотните организми, е трудно да се установи някаква връзка между степента на сложност на организма и количеството ДНК на ядро. Различни организми, като лен, морски таралеж, костур (1,4-1,9 pg) или овъглен и бик (6, 4 и 7 pg), имат приблизително еднакво количество ДНК.

Някои земноводни имат 10-30 пъти повече ДНК в ядрата си, отколкото в човешките ядра, въпреки че генетичната конституция на хората е несравнимо по-сложна от тази на жабите. Следователно може да се предположи, че „излишното“ количество ДНК в по-ниско организираните организми или не е свързано с изпълнението на генетична роля, или броят на гените се повтаря един или друг брой пъти.

Сателитната ДНК или фракцията от ДНК с често повтарящи се последователности може да участва в разпознаването на хомоложни области на хромозомите по време на мейозата. Според други предположения тези участъци играят ролята на разделители (спейсъри) между различните функционални единици на хромозомната ДНК.

Както се оказа, фракцията от умерено повтарящи се (от 102 до 105 пъти) последователности принадлежи към разнообразен клас от ДНК региони, които играят важна роля в метаболитните процеси. Тази фракция включва рибозомни ДНК гени, многократно повтарящи се участъци за синтеза на всички тРНК. Освен това някои структурни гени, отговорни за синтеза на определени протеини, също могат да се повтарят многократно, представени от много копия (гени за хроматинови протеини - хистони).

И така, ДНК на еукариотните клетки е хетерогенна по състав и съдържа няколко класа нуклеотидни последователности:

Често повтарящи се последователности (>106 пъти), включени в сателитната ДНК фракция и нетранскрибирани;

Част от умерено повтарящи се последователности (102-105), представляващи блокове от истински гени, както и къси последователности, разпръснати из целия геном;

Част от уникални последователности, които носят информация за повечето клетъчни протеини.

ДНК на прокариотен организъм е една гигантска циклична молекула. ДНК на еукариотните хромозоми е линейна молекула, състояща се от репликони с различни размери, подредени в тандем (един след друг). Средният размер на репликона е около 30 микрона. По този начин човешкият геном трябва да съдържа повече от 50 000 репликони, ДНК участъци, които се синтезират като независими единици. Тези репликони имат начална точка и крайна точка за синтеза на ДНК.

Нека си представим, че в еукариотните клетки всяка хромозомна ДНК, както при бактериите, е един репликон. В този случай, при скорост на синтез от 0,5 µm на минута (за хора), редупликацията на първата хромозома с дължина на ДНК около 7 cm трябва да отнеме 140 000 минути, или около три месеца. Всъщност, поради полирепликонната структура на ДНК молекулите, целият процес отнема 7-12 часа.

В хроматиновия препарат ДНК обикновено представлява 30-40%. Тази ДНК е двуверижна спирална молекула. Хроматиновата ДНК има молекулно тегло 7-9*10 6 . Такава относително малка маса на ДНК от препаратите може да се обясни с механично увреждане на ДНК по време на процеса на изолиране на хроматин.

Общото количество ДНК, включено в ядрените структури на клетките, в генома на организмите, варира от вид до вид. Когато се сравнява количеството ДНК на клетка в еукариотните организми, е трудно да се установи някаква връзка между степента на сложност на организма и количеството ДНК на ядро. Различни организми, като лен, морски таралеж, костур (1,4-1,9 pg) или овъглен и бик (6,4 и 7 pg), имат приблизително еднакво количество ДНК.

Както се оказа, частта от умерено повтарящи се (от 10 2 до 10 5 пъти) последователности принадлежи към разнообразен клас от ДНК региони, които играят важна роля в метаболитните процеси. Тази фракция включва рибозомни ДНК гени, многократно повтарящи се участъци за синтеза на всички тРНК. Освен това някои структурни гени, отговорни за синтеза на определени протеини, също могат да се повтарят многократно, представени от много копия (гени за хроматинови протеини - хистони).

често повтарящи се последователности (>10 6 пъти), включени в сателитната ДНК фракция и нетранскрибирани;

фракция от умерено повтарящи се последователности (10 2 -10 5), представляващи блокове от истински гени, както и къси последователности, разпръснати из целия геном;

част от уникални последователности, които носят информация за повечето клетъчни протеини.

Нека си представим, че в еукариотните клетки всяка хромозомна ДНК, както при бактериите, е един репликон. В този случай, при скорост на синтез от 0,5 микрона в минута (за хора), редупликацията на първата хромозома с дължина на ДНК около 7 см трябва да отнеме 140 000 минути или около три месеца. Всъщност, поради полирепликонната структура на ДНК молекулите, целият процес отнема 7-12 часа.