ХРОМАТИН: ВИДИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, БУДОВА, ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Хроматину є комплексом , утворений ДНК і білки тільки в еукаріотичних організмах. За пропорцією він містить майже вдвічі більше білків, ніж генетичний матеріал. Найважливішими білками цього комплексу є гістони - невеликі позитивно заряджені білки, які зв’язуються з ДНК за допомогою електростатичних взаємодій. Крім того, у хроматині є більше тисячі білків, крім гістонів.

Фундаментальною одиницею хроматину є нуклеосома, яка складається з об'єднання гістонів і ДНК. Ця композиція нагадує намистини на намисті. Пройшовши всі вищі рівні організації ДНК, ми досягнемо хромосом.

Джерело: Chromatin_nucleofilaments.png: Кріс Вудкокерівний твір: Gouttegd

Структура хроматину тісно пов'язана з контролем експресії генів. Існує два основні типи: еухроматин та гетерохроматин.

Евхроматин характеризується низьким ступенем ущільнення, що перетворюється на високий рівень транскрипції. На відміну від цього, гетерохроматин є транскрипційно неактивним, що обумовлено високим ступенем ущільнення.

Структурно існують певні епігенетичні сліди гістонів, характерні для обох типів хроматинів. Хоча еухроматин асоціюється з ацетилюванням, гетерохроматин пов'язаний зі зменшенням хімічних груп.

Є деякі області гетерохроматину зі структурними функціями, такі як теломери та центромери.

Історична перспектива

Дослідження генетичного матеріалу та його структурна організація почалося в 1831 році, коли дослідник Роберт Браун описав ядро. Одним із найближчих питань до цього відкриття було дізнатися про біологічну та хімічну природу цієї структури.

Ці питання почали з'ясовуватися між 1870 та 1900 роками експериментами Фрідріха Мішера, який ввів слово нуклеїн. Однак Уолтер Флеммінг модифікує термін і використовує хроматин для позначення ядерної речовини.

З плином часу людина починає глибше пізнавати генетичний матеріал та його властивості. Лише в 1908 році італійський дослідник Паскуале Баккаріні помітив, що хроматин не є однорідним і йому вдалося візуалізувати дрібні тіла всередині ядра.

Типи хроматинів - еухроматин та гетерохроматин - були спочатку запропоновані Емілем Гейтцом у 1928 р. Для встановлення цієї класифікації Гейтц спирався на використання плям.

У 1974 р. Біолог Роджер Корнберг запропонував модель організації генетичного матеріалу в структурах, відомих як нуклеосоми, гіпотеза, емпірично підтверджена експериментами Маркуса Нолла.

Що таке хроматин?

Хроматинові компоненти: ДНК та білки

Хроматин - це нуклеопротеїн, утворений об'єднанням генетичного матеріалу - ДНК - з гетерогенним набором білків. Ця асоціація є надзвичайно динамічною і набуває складну тривимірну конформацію, яка дозволяє їй виконувати свої регулюючі та структурні функції.

Одним з найважливіших білків хроматину є гістони, які містяться майже в тій же пропорції, що і ДНК.

Гістони - основні білки, чудово зберігаються протягом усієї еволюційної історії органічних істот - тобто наші гістони не сильно відрізняються порівняно з іншими ссавцями, навіть іншою твариною, більш віддаленою філогенетично.

Заряд гістонів позитивний, тому вони можуть взаємодіяти через електростатичні сили з негативним зарядом фосфатної основи, присутньої в ДНК. Існує п'ять типів гістонів, а саме: H1, H2A, H2B, H3, H4.

Існує також ряд білків різної природи, ніж гістони, які беруть участь у ущільненні ДНК.

Ущільнення ДНК: нуклеосоми

Основною одиницею хроматину є нуклеосоми - повторювані структури, складені з ДНК та гістонів, конформації, виявлені у генетичному матеріалі.

Подвійна спіраль ДНК намотана в комплекс з восьми гістонів, відомих як октамер гістону. Молекула котується приблизно в два обороти, після чого йде коротка область (між 20 і 60 парами основ), яка відокремлює нуклеосоми одна від одної.

Щоб зрозуміти цю організацію, ми повинні врахувати, що молекула ДНК надзвичайно довга (близько 2 метрів) і повинна бути намотана впорядкованим чином, щоб утвердитися в ядрі (діаметр якого становить від 3 до 10 мкм). Крім того, він повинен бути доступним для реплікації та транскрипції.

Ця мета досягається при різних рівнях ущільнення ДНК, першою з яких є вищезгадані нуклеосоми. Вони нагадують намистини на перлове намисто. Приблизно 150 пар основ ДНК намотуються в домашніх умовах "підраховують".

Справжніх історій у бактерій немає. На відміну від цього, існує ряд білків, які нагадують гістони, і, як вважається, вони сприяють упаковці бактеріальної ДНК.

Вища організація

Організація хроматину не обмежена на рівні нуклеосом. Ця асоціація білків і ДНК групується в більш товсту структуру приблизно 30 нм - через цю товщину її називають рівнем "волокна 30 нм".

Хроматин, організований товщиною 30 нм, організований у вигляді петель, що простягаються у своєрідному ешафоті білкової природи (не гістонів).

Ця модель використовується зараз, хоча можна очікувати складніших механізмів ущільнення. Остаточна організація складається з хромосоми.

Помилки в організації хроматину

Ущільнення та організація генетичного матеріалу життєво необхідні для численних біологічних функцій. З помилками в структурі хроматину були пов’язані різні медичні умови, серед яких X-зв'язана альфа-таласемія, синдром Рубінштейна-Тайбі, синдром Коффіна-Лоурі, синдром Ретта.

Типи хроматину

У клітині є два типи хроматину, виявлені шляхом нанесення плям: еухроматин («справжній» хроматин) та гетерохроматин. У першому випадку фарбування спостерігається слабо, тоді як у другому фарбування інтенсивне.

Ця структурна організація ДНК унікальна для еукаріотичних організмів і має вирішальне значення для поведінки хромосом і регуляції експресії генів.

Якщо ми оцінюємо пропорції обох типів хроматинів у клітині, яка знаходиться в інтерфазі, то виявляємо, що приблизно 90% хроматину є еухроматином, а решта 10% відповідає гетерохроматину. Ми детально опишемо кожен тип нижче:

І. Гетерохроматин

характеристики

Основна відмінність, що існує між обома типами хроматину, пов’язана зі ступенем ущільнення або «упаковки» молекули під час конкретних етапів поділу клітин.

Незважаючи на те, що генетичний матеріал, як видається, випадково розсіяний на інтерфейсі, це не таким чином.

На цій стадії існує значна організація, де всередині ядра можна побачити диференційований розподіл хромосомного матеріалу.

ДНК хромосом не переплітається з ланцюгом ДНК інших хромосом і залишається в конкретних областях, званих хромосомними територіями. Схоже, ця організація сприяє експресії генів.

Гетерохроматин сильно конденсується, що робить його недоступним для механізмів транскрипції - тому він не транскрибується. Також вона бідна за кількістю генів, які вона має.

Види гетерохроматину

Певні ділянки гетерохроматину є стійкими протягом усіх клітинних ліній - тобто він завжди буде вести себе як гетерохроматин. Цей тип гетерохроматину відомий як конститутивний. Прикладом цього є конденсовані ділянки хромосом, що називаються центромерами і теломерами.

Навпаки, існують порції гетерохроматину, які можуть змінювати рівень ущільнення у відповідь на зміни в моделях розвитку або змінних середовищах.

Завдяки новим дослідженням ця думка переформулюється, і тепер є дані, що конститутивний гетерохроматин також динамічний і здатний реагувати на подразники.

Будова

Одним із факторів, що визначають структуру хроматину, є хімічні модифікації гістонів. У випадку хроматину, який є транскрипційно неактивним, вони виявляють гіпоацетильовані гістони.

Зменшення кількості ацетильних груп пов’язане із замовчуванням генів, оскільки воно не маскує позитивний заряд лізинів, дозволяючи сильну електростатичну взаємодію між ДНК та гістонами.

Ще одна епігенетична марка - це метилювання. Однак, оскільки додавання метильної групи не змінює заряд білка, його наслідки (активація або дезактивація генів) не настільки очевидні і залежатимуть від області гістону, де знайдена позначка.

Емпірично встановлено, що метилювання H3K4me3 і H3K36me3 пов'язане з активацією генів та активацією H3K9me3 та H3K27me3.

Особливості

На прикладі конститутивного гетерохроматину згадаємо центромер. Ця хромосомна область відіграє структурну роль і сприяє руху хромосом під час подій мітотичного та мейотичного поділу клітин.

II. Еухроматин

характеристики

На відміну від гетерохроматину, еухроматин є менш компактною молекулою, тому механізм транскрипції має легкий доступ (зокрема, фермент полімерази РНК) і може активно експресуватися генетичними шляхами.

Будова

Будова нуклеосоми транскрипційно активного хроматину характеризується ацетильованими гістонами. Наявність монометильованих лізинів також пов'язане з активацією генів.

Додавання ацетильної групи до цих залишків гістону лізину нейтралізує позитивний заряд зазначеної амінокислоти. Безпосереднім наслідком цієї зміни є зменшення електростатичних взаємодій між гістоном та ДНК, генеруючи більш слабкий хроматин.

Ця структурна модифікація дозволяє взаємодія генетичного матеріалу з механізмом транскрипції, який характеризується особливо громіздкістю.

Особливості

Еухроматин охоплює всі активні гени та досягти їх ферментативними механізмами, пов'язаними з транскрипцією. Тому функції такі ж широкі, як і функції генів, що беруть участь.

Список літератури

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Гетерохроматин та епігенетичний контроль експресії генів. науки, 301 (5634), 798–802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Гетерохроматин та позиціонування генів: всередині, зовні, з будь-якої сторони ?. Хромосома, 121 (6), 555–563.
3. Левін, Б. (2008). Гени IX. Видавництво Джонса та Бартлетта.
4. Толлефсбол, ТО (2011). Довідник з епігенетики. Академічна преса.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Нові відомості щодо регулювання гетерохроматину. Тенденції в генетиці: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Чжан, П., Торрес, К., Лю, X., Лю, КГ та Поллок, RE (2016). Огляд протеїнів, що регулюють хроматин в клітинах. Сучасна білкова та пептидна наука, 17 (5), 401–410.