Vad är DNA-förpackning? (I prokaryoter och eukaryoter)



den DNA-förpackning är en term som definierar den kontrollerade komprimeringen av DNA inuti cellen. I ingen cell (och faktiskt inte ens i virus) är DNA fritt, lax och i sann lösning.

DNA är en extremt lång molekyl som dessutom alltid interagerar med ett stort antal olika proteiner. För bearbetning, arv och kontroll av uttrycket av de gener som det bär, antar DNA en särskild rumslig organisation. Detta uppnås genom att cellen strikt kontrollerar varje steg i DNA-förpackningen vid olika nivåer av komprimering.

Virus har olika förpackningsstrategier för deras nukleinsyror. En av favoriterna är bildandet av kompakta spiraler. Det kan sägas att virus är nukleinsyror förpackade i proteinerna som täcker dem, skyddar och mobiliserar dem.

I prokaryoter är DNA associerat med proteiner som bestämmer bildandet av komplexa slingor i en struktur som kallas nukleoid. Den maximala nivån av DNA-komprimering i en eukaryot cell, å andra sidan, är mitotisk eller meiotisk kromosom.

Den enda förekomsten där ett B-DNA inte är förpackat är ett forskningslaboratorium som strävar efter det syftet.

index

  • 1 struktur av DNA
  • 2 Den bakteriella nukleoid
  • 3 Kompakteringsnivåerna för den eukaryota kromosomen
    • 3.1 Nukleosomen
    • 3.2 Fibern på 30 nm
    • 3.3 Slipsar
  • 4 Meiotisk DNA-komprimering
  • 5 referenser

Struktur av DNA

DNA: n bildas av två antiparallella band som bildar en dubbelhelix. Var och en av dem presenterar ett skelett av fosfodiesterbindningar på vilka socker kopplade till kvävebaser binder.

Inuti molekylen bildar kvävebaserna av ett band vätebindningar (två eller tre) med komplementbandet.

I en molekyl så här visar de flesta av de viktiga bindningsvinklarna fri rotation. Kväve-socker-, sockerfosfat- och fosfodiesterbindningsbindningarna är flexibla.

Detta låter DNA, sett som en flexibel stav, visa någon förmåga att böja och spola. Denna flexibilitet gör det möjligt för DNA att anta komplexa lokala strukturer och att bilda interaktionsbindningar på kort, medium och lång avstånd.

Denna flexibilitet förklarar också hur 2 meter DNA kan bibehållas i varje diploid cell av en människa. I en gamete (haploidcell) skulle det vara en DNA-mätare.

Den bakteriella nukleoid

Även om det inte är en oföränderlig regel, finns bakteriekromosomen som en enkel dubbelsträngad DNA-dubbelsträngad DNA-molekyl.

Dubbelspiralen vrids mer på sig själv (mer än 10 bp per revolution), vilket ger en viss komprimering. Lokala knutar genereras också tack vare manipuleringar som är enzymatiskt kontrollerade.

Dessutom finns det sekvenser i DNA som tillåter domäner att bildas i stora slingor. Vi kallar strukturen som följer av supererollamiento och beställda loopar nukleoid.

Dessa genomgår dynamiska förändringar tack vare vissa proteiner som ger viss strukturell stabilitet till den komprimerade kromosomen. Komprimeringsgraden i bakterier och arkeor är så effektiv att det kan finnas mer än en kromosom per nukleoid.

Nukleoid komprimerar prokaryot DNA minst 1000 gånger. Nukleoidens mycket topologiska struktur är en grundläggande del av reglering av de gener som kromosomen bär. Det vill säga, struktur och funktion utgör samma enhet.

Kompakteringsnivåerna för den eukaryota kromosomen

DNA i den eukaryota kärnan är inte naken. Det interagerar med många proteiner, vars viktigaste är histon. Histoner är små, positivt laddade proteiner som binder till DNA på ett icke-specifikt sätt.

I kärnan som vi observerar är ett DNA-komplex: histoner, som vi kallar kromatin. Det starkt kondenserade kromatinet, som vanligen inte uttrycks, är heterochromatin. Däremot är den minst komprimerade (lösare) eller euchromatin kromatin med gener som uttrycks.

Kromatin har flera nivåer av komprimering. Den mest elementära är den hos nukleosomen; följt av solenoidfiber- och interfas-kromatinslingorna. Endast när en kromosom är uppdelad är att de maximala komprimeringsnivåerna visas.

Nukleosomen

Nukleosomen är den grundläggande enheten för kromatinorganisationen. Varje nukleosom bildas av en oktamer av histoner som bildar en slags trumma.

Okameran bildas av två kopior av var och en av histonerna H2A, H2B, H3 och H4. Omkring dem ger DNA-en nästan 1,7 varv. Det följs av en fraktion av fritt DNA som kallas 20 pb linker associerad med histon Hl, och sedan en annan nukleosom. Mängden DNA i en nukleosom och den som förenar den med en annan är ungefär 166 baspar.

Detta steg att packa det kompakta DNA-molekylet omkring 7 gånger. Det var att vi gick från en mätare till drygt 14 cm av DNA.

Denna förpackning är möjlig eftersom de positiva histonerna avbryter DNA-negativa laddningen och den därmed följande elektrostatiska självimpulsen. Den andra anledningen är att DNA kan böja på ett sådant sätt att det kan snurra histon-oktameren.

Fiber av 30 nm

Fibern av pärlor i ett halsband som bildar många på varandra följande nukleosomer rullas dessutom till en mer kompakt struktur.

Även om vi inte vet vilken struktur den verkligen antar, vet vi att den når en tjocklek på cirka 30 nm. Detta är den så kallade 30 nm-fibern; histon H1 är väsentlig för dess bildande och stabilitet.

30 nm-fibern är den grundläggande strukturella enheten av heterochromatin. Det för laxnukleosomer, det för euchromatin.

Slipsar

30 nm-fibern är emellertid inte helt linjär. Tvärtom bildar den slingor av cirka 300 nm i längd, på ett serpentint sätt, på en litet känd proteinmatris.

Dessa slingor på en proteinmatris bildar en mer kompakt kromatinfiber med en diameter av 250 nm. Slutligen de rikta samma sätt som en enda spiral av 700 nm tjockt ger upphov till en av de systerkromatider en mitotisk kromosom.

I slutet komprimeras DNA: n i nukleär kromatin ca 10 000 gånger i kromosomen i delningscellen. I den interfasiska kärnan är dess komprimering också hög eftersom den är ungefär 1000 gånger jämfört med det "linjära" DNA.

Meiotisk komprimering av DNA

I utvecklingsbiologiens värld sägs gametogenes återställa epigenomen. Det innebär att det raderar de DNA-märken som livets ursprungsgivare producerat eller upplevt.

Dessa markörer innefattar DNA-metylering och kovalenta modifieringar av histoner (Histone-kod). Men inte alla epigenomen återställs. Det som återstår med märken kommer att vara ansvarigt för foster- eller moderns genetiska avtryck.

Den implicita återställningen till gametogenes är lättare att se i spermier. I spermier är inte DNA-förpackningen förpackat med histoner. Därför är inte informationen i samband med dess modifieringar i producentorganismen ärftlig.

I spermierna förpackas DNA tack vare interaktionen med icke-specifika DNA-bindande proteiner som kallas protaminer. Dessa proteiner bildar disulfidbroar mot varandra och hjälper sålunda till att bilda överlagrade DNA-skikt som inte avstötar elektrostatiskt.

referenser

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6th Edition). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
  2. Annunziato, A. (2008) DNA-förpackning: Nukleosomer och kromatin. Naturutbildning 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
  3. Brooker, R.J. (2017). Genetik: Analys och Principer. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
  4. Martinez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) struktur- och funktionskarta av en bakteriell nukleoid. Genombiologi, doi: 10,1186 / gb-2009-10-12-247.
  5. Mathew-Fenn, R. S., Das, R., Harbury, P. A. B. (2008) Remeasuring the double helix. Science, 17: 446-449.
  6. Travers, A. A. (2004) Den strukturella grunden för DNA-flexibilitet. Filosofiska transaktioner av Royal Society of London, serie A, 362: 1423-1438.
  7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNA-struktur och funktion. FEBS Journal, 282: 2279-2295.