MI A DNS CSOMAGOLÁS? - BIOLÓGIA - 2024

A DNS csomagolása olyan kifejezés, amely meghatározza a DNS kontrollált tömörítését a sejtben. Semmilyen sejtben (sőt, még a vírusokban sem) nincs DNS-mentes, laza és valódi oldat.

A DNS egy rendkívül hosszú molekula, amely szintén mindig kölcsönhatásba lép számos különféle fehérjével. A hordozott gének feldolgozása, öröklése és expressziójának ellenőrzése céljából a DNS egy meghatározott térbeli szervezetet fogad el. Ezt a sejt hajtja végre a DNS-csomagolás minden lépésének szigorú ellenőrzésével, a különböző tömörítési szinteken.

Kromatin: nyugodt (balról) kondenzált (jobbra). A (z) commons.wikimedia.org oldalból származik

A vírusok eltérő csomagolási stratégiákat mutatnak nukleinsavaik számára. Az egyik kedvenc a kompakt spirálok kialakítása. Azt lehet mondani, hogy a vírusok olyan nukleinsavak, amelyek be vannak csomagolva azokba a fehérjékbe, amelyek fedezik, védik és mobilizálják őket.

A prokariótákban a DNS olyan fehérjékkel van kapcsolatban, amelyek meghatározzák a komplex hurkok kialakulását nukleoidnak nevezett struktúrában. Eukarióta sejtekben a DNS-tömörítés maximális szintje a mitotikus vagy meiotikus kromoszóma.

Az egyetlen eset, amikor a B-DNS nincs csomagolva, egy kutatási laboratórium, amely ezt a célt követi.

DNS-szerkezet

A DNS két antiparallel sávból áll, amelyek kettős spirált alkotnak. Mindegyiknek van egy foszfodiészter kötésváz, amelyen a nitrogénbázisokhoz kapcsolt cukrok kapcsolódnak.

A molekulán belül az egyik sáv nitrogénbázisai hidrogénkötéseket képeznek (kettő vagy három) a komplementer sávmal.

Egy ilyen molekulában a legtöbb fontos kötési szög szabad forgást mutat. A nitrogén-bázis-cukor, a cukor-foszfát csoport és a foszfodiészter kötések rugalmasak.

Ez lehetővé teszi a DNS-ként, mint rugalmas rudazatot, hogy megmutatja némi hajlítási és elfordulási képességét. Ez a rugalmasság lehetővé teszi a DNS számára, hogy komplex helyi struktúrákat fogadjon el, és kölcsönhatási hurkokat képezzen rövid, közepes és hosszú távolságra.

Ez a rugalmasság megmagyarázza azt is, hogyan lehet fenntartani 2 méter DNS-t az ember minden egyes diploid sejtjében. Egy ivarsejtben (haploid sejt) egy méter DNS lenne.

A bakteriális nukleoid

Noha ez nem egy megszakíthatatlan szabály, a baktérium-kromoszóma egyetlen szuper-tekercselt kettős sávú DNS molekulaként létezik.

A kettős spirál jobban elfordul (több mint 10 bázispár fordulónként), így némi tömörítést eredményez. Az enzimatikusan vezérelt manipulációknak köszönhetően helyi csomók keletkeznek.

Ezenkívül a DNS-ben vannak olyan szekvenciák, amelyek lehetővé teszik a domének nagy hurkokban történő kialakulását. A szuperhűtés és a rendezett hurkok szerkezetét nukleoidnak nevezzük.

Ezek olyan dinamikus változásokon mennek keresztül, amelyek bizonyos fehérjéknek köszönhetően biztosítják a strukturált stabilitást a tömörített kromoszómában. A baktériumok és az archaea tömörülésének mértéke annyira hatékony, hogy nukleoidonként egynél több kromoszóma lehet.

A nukleoid a prokarióta DNS-t legalább körülbelül 1000-szer tömöríti. A nukleoid nagyon topológiai szerkezete a kromoszóma által hordozott gének szabályozásának alapvető része. Vagyis a szerkezet és a funkció ugyanazt az egységet alkotja.

Az eukarióta kromoszóma tömörítési szintje

Az eukarióta magban a DNS nem meztelen. Számos fehérjével kölcsönhatásba lép, amelyek közül a legfontosabb a hisztonok. A hisztonok kicsi, pozitív töltésű fehérjék, amelyek nem-specifikus módon kötődnek a DNS-hez.

A magban megfigyelt komplex DNS: hisztonok, amelyeket kromatinnak nevezünk. Az erősen kondenzált kromatin, amelyet általában nem expresszálnak, heterochromatin. Ezzel szemben a legkevésbé tömörített (lazább), vagy az euchromatin az expresszált génekkel rendelkező kromatin.

A kromatin tömörítési szintje különféle. A legalapvetőbb a nukleoszóma; Ezt követik a mágnesszálak és a fázisok közötti kromatin hurkok. Csak akkor jelenik meg a maximális tömörségi szint, amikor egy kromoszóma megosztódik.

A nukleoszóma

A nukleoszóma a kromatin szervezetének alapvető egysége. Az egyes nukleoszómák hisztonok oktamerjeiből állnak, amelyek egyfajta dobot képeznek.

Az oktamer a H2A, H2B, H3 és H4 hisztonok két példányából áll. Körülöttük a DNS 1,7-szeresére megy. Ezt követi egy szabad bázis egy része, amelyet 20 bp-os linkernek hívnak, amely a H1 hisztonhoz kapcsolódik, majd egy másik nukleoszóma. A nukleoszómában levő DNS mennyisége és az, amely megköti azt egy másikhoz, körülbelül 166 bázispár.

Ez a DNS-csomagolási lépés körülbelül 7-szer tömöríti a molekulát. Vagyis egy métertől a 14 cm-nél nagyobb DNS-ig megyünk.

Ez a csomagolás azért lehetséges, mert a pozitív hisztonok megszakítják a DNS negatív töltését és az ebből következő elektrosztatikus önmegtámadást. A másik ok az, hogy a DNS meghajolható oly módon, hogy megfordítsa a hisztonok oktamerjét.

30 nm rost

A sok egymást követő nukleoszóma által alkotott nyakláncban lévő gyöngyök rostát még kompaktabb szerkezetűvé tesszük.

Annak ellenére, hogy nem egyértelműek, hogy milyen struktúrát alkalmaz annak valójában, tudjuk, hogy a vastagsága kb. 30 nm. Ez az úgynevezett 30 nm-es szál; A H1 hiszton elengedhetetlen annak kialakulásához és stabilitásához.

A 30 nm-es rost a heterokromatin alapvető szerkezeti egysége. A lax nukleoszómáké, az euchromatiné.

Nyakak és fordulók

A 30 nm-es szál azonban nem teljesen lineáris. Éppen ellenkezőleg, kanyargósan körülbelül 300 nm hosszúságú hurkokat képez egy kevéssé ismert protein mátrixon.

Ezek a fehérje-mátrixon lévő hurkok kompaktabb, 250 nm átmérőjű kromatinszálat képeznek. Végül egy 700 nm vastag spirál formájában igazodnak egymáshoz, és a mitotikus kromoszóma egyik testvére kromatidjává válik.

Végül a nukleáris kromatinban lévő DNS körülbelül 10 000-szer tömörödik az osztó sejt kromoszómájában. Az interfázisú magban a tömörödés szintén magas, mivel ez körülbelül 1000-szeres a "lineáris" DNS-hez képest.

A DNS meiotikus tömörítése

A fejlődő biológia világában a gametogenezis állítólag visszaállítja az epigenomát. Vagyis törli azokat a DNS-jeleket, amelyek annak a személynek az életét idézték elő, aki az ivarsejt előidézte vagy megtapasztalta.

Ezek a jelölések tartalmazzák a DNS metilezését és a hisztonok kovalens módosításait (a hisztonok kódja). De nem a teljes epigenomot állítják vissza. Ami a jelekkel marad, az lesz az apai vagy anyai genetikai lenyomat.

A gametogenezis hallgatólagos visszaállítása könnyebben látható a spermában. A spermában a DNS nem tele van hisztonokkal. Ezért a termelő szervezetben történő módosításaival kapcsolatos információ általában nem örökölhető.

A spermában a DNS becsomagolódik a nem-specifikus DNS-kötő fehérjékkel, protamineknek nevezett kölcsönhatásnak köszönhetően. Ezek a fehérjék diszulfidkötéseket képeznek egymással, ezáltal elősegítik az átfedő DNS-rétegek kialakulását, amelyek egymást elektrosztatikusan nem visszatartják.

Irodalom

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014), Molecular Biology of the Cell (6. kiadás). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) DNS-csomagolás: Nukleoszómák és kromatin. Természetnevelés 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetika: elemzés és alapelvek. McGraw-Hill Felsőoktatás, New York, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) A bakteriális nukleoid szerkezeti és funkcionális térképe. Genombiológia, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S., Das, R., Harbury, PAB (2008). A kettős spirál mérése. Science, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) A DNS rugalmasságának strukturális alapjai. A Londoni Királyi Társaság filozófiai tranzakciói, A sorozat, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNS szerkezete és működése. FEBS Journal, 282, 2279-2295.