Chromatin Organisation: 7 interessante Fakten zu wissen

Inhalte

• Chromatin enthält DNA und Proteine
• Histone besteht aus basischen Proteinen
• Nukleosomen sind die strukturellen Einheiten von Chromatin
• Nukleosomen zu Strukturen höherer Ordnung
• Erhaltung kondensierter Chromosomenstrukturen durch SMC-Proteine
• Organisationsgrad der bakteriellen DNA
• Schlussfolgerungen
• Fragen und Antworten im Vorstellungsgespräch

Chromatin enthält DNA und Proteine

Die Zellteilung oder der Zellzyklus in eukaryotischen Zellen induziert signifikante Veränderungen in der chromosomalen Struktur. In den eukaryotischen Zellen im G₀ Phase (nicht teilende Phase) und solchen in den Anfangsphasen des Zellzyklus, wie G1-, S- und G2-Phase (Phasen der Interphase), ist das Chromatin (chromosomales Material) amorph und in bestimmten Teilen des Zellkerns zufällig verstreut .

In der S-Phase DNA Replikation (Duplikation) auftritt, die bereits im amorphen Zustand vorhanden ist. Jedes Chromosom produziert also zwei Schwesterchromatiden (Schwesterchromosomen genannt), die auch nach Abschluss der Replikation miteinander verbunden bleiben.

Das Chromatin wird während der Prophase der Mitose deutlich stärker kondensiert und tritt in einer bestimmten Anzahl artspezifischer Schwesterchromatiden auf.

Chromatin besteht aus fadenförmigen Strukturen, die Protein enthalten, und DNA entspricht ungefähr Massen. Im Chromatin ist normalerweise eine geringe Menge an RNA vorhanden. Beim Chromatin sind die Proteine ​​fest mit der DNA verbunden. Diese Proteine ​​werden als Histone bezeichnet. DNA klebt an Histonproteinen, um Bausteine ​​der Chromatinstruktur zu bilden, die als Nukleosom bekannt sind.

Ebenso finden sich im Chromatin zahlreiche Nicht-Histon-Proteine. Histonproteine ​​sind im Allgemeinen an der Regulation der Genexpression beteiligt, zusammen mit der integralen Aufrechterhaltung der chromosomalen Struktur.

Ausgehend von Nukleosomen wird eukaryontische chromosomale DNA in eine Abfolge von übergeordneten Strukturen verpackt, die schließlich ein kompaktes Design namens Chromosom ergeben, das mit Hilfe eines Mikroskops mit geringer Vergrößerung (Lichtmikroskop) gesehen werden kann. Diese gut sichtbare kompakte Struktur können wir leicht mit der DNA eines Bakteriums vergleichen.

Histone besteht aus basischen Proteinen

• Histone kommen im Chromatin fast jeder eukaryotischen Zelle vor.
• Histone haben ein Molekulargewicht zwischen 11,000 und 21,000 Kilodalton.
• Histone haben eine Fülle von Aminosäuren wie Lysin und Arginin (ca. 25%), die basisch sind.
• Die in eukaryontischen Zellen vorhandenen Histonproteine ​​werden aufgrund ihrer Aminosäurezusammensetzung und ihres Molekulargewichts in fünf verschiedene Klassen eingeteilt. Diese sind nämlich: H1, H2A, H2B, H3 und H4. 

Histone-Proteine ​​wie H1, H2A und H2B weisen die geringste Sequenzähnlichkeit unter Eukaryoten auf.

Die H4-Histonproteine ​​haben konservierte Funktionen, und nur 2 von 102 Aminosäureresten unterscheiden sich unter den Aminosäureresten der H4-Histonproteine ​​von Erbsen und Kühen. Nur acht Aminosäurereste unterscheiden sich in den Aminosäureresten von Hefe und Mensch. Die Aminosäuresequenz ist bei allen Eukaryoten nahezu identisch.

Jede Art von Histon weist Variationen in Struktur und Aminosäuresequenz auf; Dies liegt daran, dass die Seitenketten der Aminosäure enzymatisch durch Glykosylierung, Phosphorylierung, ADP-Ribosylierung und Acetylierung oder Methylierung manipuliert werden. Diese chemischen Modifikationen können die Form, die elektrische Nettoladung und verschiedene andere Eigenschaften von Histonen beeinflussen. Sie beeinflussen auch die funktionellen und strukturellen Eigenschaften des Chromatins und regulieren die Transkription.

Nukleosomen sind die strukturellen Einheiten von Chromatin

Ein eukaryotisches Chromosom ist eine sehr kompakte Form eines DNA-Moleküls mit einer Länge von ungefähr 10⁵ Mikrometer, die in den etwa 10 Mikrometer großen Kern passen wird. Diese Verdichtung umfasst verschiedene Stufen von kontinuierlichen Falt- und Supercoiling-Ereignissen.

Die Behandlung von Chromosomen zur teilweisen Entfaltung zeigt, dass regelmäßig einige fest gebundene Perlen von proteinähnlichen Strukturen vorhanden sind.

Diese „Perlen an einer Schnur“-Strukturen sind eigentlich Komplexe aus Histonproteinen und DNA. Das Bead (DNA und Histone) und die verbindende DNA zwischen den beiden Beads bilden ein Nukleosom. Ein Nukleosom ist die strukturelle Einheit des Chromatins höherer Ordnung (Chromosomen), das in einer Zelle vorhanden ist.

Jedes Bead eines Nukleosoms besteht aus acht Histonmolekülen: jeweils zwei Duplikate von H4, H3, H2A und H2B. Ein einzelnes Nukleosom enthält 200 bp DNA, von denen 146 bp DNA fest um den Histonkern gewickelt sind.

Im Gegensatz dazu fungiert die verbleibende DNA als Linker-DNA zwischen zwei Nukleosomenkügelchen und bindet an die H1-Untereinheit des Histonproteins.

Wenn Chromatin mit DNA-verdauenden Enzymen behandelt wird, verursacht es einen selektiven Verdau von Linker-DNA, was zur Ablösung von Histonpartikeln führt, die 146 bp gebundene DNA enthalten, die vor DNA-verdauenden Enzymen geschützt wurde.

Wissenschaftler haben Nukleosomen erfolgreich gereinigt und nach Röntgenbeugungsstudien wurde beobachtet, dass ein Nukleosom aus den acht Histonmolekülen besteht, mit etwas umwickelter DNA, die in Form einer linkshändigen Solenoid-Superspule vorliegt.

Spätere Studien rechtfertigten die unterwundene eukaryotische DNA trotz des Vorhandenseins von Proteinen, die die DNA unterwandern. Dies zeigt, dass Nukleosomen mit Solenoid-Umhüllung von DNA tatsächlich eine Art von Supercoiling sind, die von der unterwickelten (negativ supercoiled) DNA besessen werden kann. Für eine enge Umhüllung der DNA auf den Histon-Proteinen muss etwa eine Windung in der DNA eliminiert werden.

Wenn die Nukleosom-Kernproteine ​​in einem entspannten Zustand an eine zirkuläre DNA binden, induziert dies ein negatives Supercoiling in der geschlossenen zirkulären DNA. Da dieser Bindungsprozess die DNA nicht bricht oder die Verknüpfungszahl ändert, sollte die Entwicklung eines negativen Solenoid-Supercoilings eine positive Supercoiling zur Kompensation im ungebundenen Bereich der DNA aufweisen.

Die eukaryotischen Topoisomerasen können mit positivem Supercoiling umgehen, indem sie die positive Supercoil (ungebunden) entspannen und die negative Supercoil fixiert lassen (durch die Stelle, von der aus sie mit den Kernproteinen des Histons verbunden ist), was zu einer Nettoverringerung der Verknüpfungszahl führt . Topoisomerasen haben sich als essentiell für die Assoziation von Chromatin aus Histonen und der zirkulären DNA in vitro erwiesen.

Die Sequenz der DNA-Bindung an die Histonproteine ​​beeinflusst auch die Bindungsstärke und andere Parameter der DNA-Bindung mit Histonen. Histonproteine ​​binden nicht zufällig an die DNA. Obwohl der Mechanismus bisher nicht klar verstanden ist, binden die Histon-Proteine ​​bevorzugt an die DNA aus der AT-reichen Sequenz (Sequenz mit vielen AT-Basenpaaren).

Die enge Bindung der DNA über das Histonzentrum des Nukleosoms erfordert eine kleine Furchenkompression in der DNA an den Bindungspunkten. Außerdem sollten einige (2 oder 3) AT-Basenpaare vorhanden sein, um den Komprimierungsprozess durchführbarer zu machen.

Mehrere andere Proteine ​​werden auch benötigt, um DNA auf dem nukleosomalen Histonkern genau zu positionieren. In einigen Organismen interagieren mehrere Proteine ​​mit einer bestimmten DNA-Sequenz und helfen, einen Komplex mit dem nukleosomalen Histonkern zu bilden. Dieser Prozess moduliert auch die Genexpression in Eukaryoten.

Nukleosomen zu Strukturen höherer Ordnung

Das Wickeln von DNA um einen Histonkern des Nukleosoms verkürzt die DNA-Länge um etwa das Siebenfache. Die Verdichtung in einem Chromosom beträgt bis zu 10,000-fach, was durch einen ausreichenden Beweis für das Vorhandensein der chromosomalen Organisation höherer Ordnung gestützt wird. Einige isolierte Chromosomen zeigen, dass Nukleosomen in hoch organisierten Strukturen existieren, die als 30-nm-Faser bekannt sind.

Diese Art der Verpackung benötigt ein Molekül H1-Histon pro Nukleosom. Die Nukleosomenorganisation in 30 nm Fasern ist nicht über den gesamten Chromosomensatz vorhanden und wird von Bereichen durchsetzt, in denen DNA mit sequenzspezifischen Nicht-Histonproteinen gebunden ist. Die 30 nm Struktur erscheint zusätzlich in der Region, in der die Transkriptionsaktivität stattfindet.

Bereiche, in denen Gene exprimiert oder transkriptioniert werden, befinden sich offensichtlich in einem weniger geordneten Zustand und enthalten sehr wenig oder eine niedrige H1-Histon-Untereinheit. Die 30-nm-Faser gilt als der zweite Grad der Chromatin-Assoziation, die der DNA eine 100-fache Kompaktheit verleiht.

Obwohl der genaue Mechanismus des Supercoilings auf höherer Ebene noch nicht klar verstanden ist, sieht es so aus, als ob einige DNA-Regionen mit dem Kerngerüst interagieren.

Die Gerüstregion (wo DNA an das Histon eines Nukleosoms bindet) wird selten durch eine 20 bis 100 kbp lange DNA-Schleife getrennt. Diese Loop-DNA kann auch einige verwandte Gene enthalten. Bei Drosophila zum Beispiel gruppieren sich histonkodierende Gene in Schleifen und binden an das Gerüst.

Das Gerüst scheint wenige andere Proteine ​​zu enthalten, viel Histon H1 (befindet sich in der inneren Struktur der Faser) und Topoisomerase II. Die Anwesenheit von Topoisomerase II weist ferner auf die Beziehung zwischen Chromatinstruktur und DNA-Unterwindung hin.

Topoisomerase II ist für die Aufrechterhaltung der Chromatinstruktur so wichtig, dass Inhibitoren des Enzyms Topoisomerase II in der Lage sind, sich teilende Zellen abzutöten. Diese Inhibitoren fördern den Strangbruch, erlauben es der Topoisomerase II jedoch nicht, diese Brüche zu versiegeln.

Es gibt Beweise für zusätzliche Assoziationsschichten in eukaryontischen Chromosomen, wobei jede Schicht den Verdichtungsgrad signifikant erhöht.

Die Chromatinstruktur auf höherer Ebene ändert sich vermutlich von Chromosom zu Chromosom, innerhalb eines Chromosoms und von Bedingung zu Bedingung für die Existenz einer Zelle. Allerdings ist kein einziges Modell in der Lage, diese Strukturen zu erklären. Die Regel ist jedoch klar: In eukaryontischen Chromosomen hat die DNA-Kompaktierung eine Kondensation von Spiralen über Spiralen.

Das Wort „Chromosom“ bezieht sich auf eine Nukleinsäure, die das Reservoir der genetischen Information eines Organismus ist. In ähnlicher Weise wird dieser Begriff auch für die unter dem Mikroskop sichtbaren kompakt gepackten farbigen Strukturen im Zellkern einer gefärbten Farbstoffzelle verwendet.

Erhaltung kondensierter Chromosomenstrukturen durch SMC-Proteine

Die dritte Klasse von Chromatinproteinen, neben den Histonen und Topoisomerasen, sind die SMC-Proteine ​​(Structural Aufrechterhaltung der Chromosomen). Der Strukturaufbau von SMC-Proteinen enthält fünf besondere Domänen.

Der Carboxyl-terminale Amino-Terminus der globulären Domäne spielt eine Rolle bei der ATP-Hydrolyse und ist mit den α-helikalen Coiled-Motive assoziiert, die mit der Gelenkdomäne verbunden sind. Dies sind dimere Proteine, die einen V-förmigen Komplex bilden, der auch mit der Gelenkdomäne verbunden ist.

Die C- und N-Domäne kommen nahe, um die Bildung der hydrolytischen ATP-Stelle an beiden Enden des V-Komplexes abzuschließen. Proteine, die in der SMC-Familie aufgeführt sind, werden im Allgemeinen in vielen lebenden Organismen gefunden, von Mikroben bis zu Säugetieren. Eukaryoten haben im Großen und Ganzen zwei Arten von SMC-Proteinen, nämlich Kondensine und Cohesine.

Es wird angenommen, dass die Cohesine eine wichtige Rolle bei der Verbindung von Schwesterchromatiden nach der Replikation spielen, bis sie in der Metaphase zu Chromosomen kondensieren. Diese Interaktion ist wichtig, da sich Chromosomen während der Zellteilung richtig lösen müssen.

Obwohl gut erklärte Mechanismen, durch die Cohesine Schwesterchromosomen verbinden, und die Bedeutung der ATP-Hydrolyse nicht klar verstanden werden. Während sich die Zelle auf den Eintritt in die Mitose vorbereitet, spielt Kondensin eine bedeutende Rolle bei der chromosomalen Kondensation.

Unter In-vitro-Bedingungen interagieren Kondensine mit der DNA und bilden positive Supercoils; die Einschränkung von Kondensin führt dazu, dass die DNA überwunden wird, anstatt eine Unterwindung, die durch die Nukleosomenbindung initiiert wird. Die genauen Mechanismen, durch die Condensin die Verdichtung von Chromatin fördert, sind noch nicht klar verstanden.

Organisationsgrad der bakteriellen DNA

Wir sind dabei, die zu besprechen detaillierte Struktur von Bakterienchromosomen. Die bakterielle DNA liegt in Form einer kompakten Struktur vor, die als Nukleoid bekannt ist. Es nimmt einen großen Teil des Zellvolumens ein (Abbildung). Die DNA verbindet sich an mehreren Stellen mit der inneren Membran der Plasmamembran.

Im Vergleich zum eukaryontischen Chromatin sind über das Nukleoid weniger Details bekannt. In E. coli scheint eine gerüstartige Struktur das geschlossene kreisförmige Chromosom in eine Schleifenanordnung zu ordnen, wie oben für Chromatin dargestellt. Bakterien-DNA scheint jedoch keine ähnliche Struktur wie die eukaryontischen Nukleosomen zu haben.

Obwohl E. coli mehrere Proteine ​​enthält, die den eukaryontischen Histonen ähnlich sind (sie sind normalerweise dimer (Mw 19,000 KDa), sind sie nicht sehr stabil und bauen sich innerhalb weniger Minuten ab. Daher werden sie nicht in Form eines DNA-Histonkomplexes gefunden Das bakterielle Chromosom bietet leichter zugängliche genetische Informationen und wird daher als ein sehr dynamisches Bio-Makromolekül angesehen.  

Das Bakterium teilt sich durch binäre Spaltung (eine Art Zellteilung) und es dauert etwa 15 Minuten. Im Gegensatz dazu tritt eine gewöhnliche eukaryontische Zelle nicht über Stunden oder sogar Monate in den Teilungszyklus ein. In ähnlicher Weise wird ein sehr bedeutender Teil der prokaryotischen DNA zum Kodieren von RNA und Protein verwendet.

Erhöhte Raten des Zellstoffwechsels in Mikroben implizieren, dass ein hoher Anteil der DNA zu einem bestimmten Zeitpunkt im Vergleich zu eukaryotischen Zellen eine Transkription oder Replikation durchläuft.

Schlussfolgerungen

In diesem Artikel haben wir die entscheidenden Aspekte der DNA-Verpackung und Strukturen höherer Ordnung diskutiert. Um dieses Thema besser zu verstehen, lesen Sie bitte unseren Artikel über DNA-Supercoiling.

Fragen und Antworten im Vorstellungsgespräch

Q1. Was sind die Funktionen und der Aufbau eines Chromosoms?

Antworten:  Chromosomen haben die Form eines Fadens und befinden sich im Kern einer eukaryotischen Zelle. Prokaryoten haben keine multiplen Chromosomen. Stattdessen haben sie im Allgemeinen ein einzelnes kreisförmiges Chromosom, das als Nukleoid bekannt ist. Chromosomen sind DNA (normalerweise ein einzelnes DNA-Molekül) und Proteine ​​(Histone und einige Nicht-Histon-Proteine). Die ausschließliche Funktion von Chromosomen besteht darin, dass sie Gene tragen, die für die Vererbung genetischer Merkmale und die Übertragung der genetischen Information an die Nachkommen verantwortlich sind.

Q2. Wie können sich Veränderungen in der Struktur von Chromosomen auf ein Individuum auswirken?

Antworten: Es gibt viele Faktoren, die für die strukturellen Veränderungen der Chromosomen verantwortlich sind. Diese Veränderungen können zu Unterschieden in der Genexpression eines Individuums führen, die schließlich auch zu Veränderungen der Proteinexpression und der Körperfunktionen führen. 

Q3. Wie wird eine sehr lange DNA-Struktur in die kleinen Kerne eingebaut?

Antworten: DNA ist in den Chromosomen vorhanden und hat eine Länge von Zentimetern. Es passt in den Kern mit Radien in der Größenordnung von Mikrometern mit Hilfe von Nukleinsäuren, die Histonproteine ​​binden. Die DNA der Chromosomen ist negativ geladen, die an die positiv geladenen Histonproteine ​​bindet, um Nukleosomen zu bilden. Ein einzelnes Nukleosom wickelt sich um 146 Basenpaare der DNA und macht 1.65 Umdrehungen auf dem Histonkern. 

Q4. Welche zwei Arten von Chromosomen gibt es?

Antworten: Basierend auf dem Geschlecht einer Person werden Chromosomen in zwei Kategorien eingeteilt

1. 1- Autosomen (verantwortlich für das Funktionieren des Körpers. Sie sind 44 an der Zahl, 22 Paare)
2. 2- Allosomen (Geschlechtschromosomen, verantwortlich für das Funktionieren der sekundären Geschlechtsmerkmale, sie sind 2 an der Zahl, ein Paar)

Der Mensch hat Autosomen (22 Paare) und Allosomen (ein Paar) oder Geschlechtschromosomen.

F5. Nennen Sie die Bestandteile der eukaryontischen Chromosomen.

Antworten: Die Chromosomen in Eukaryoten bestehen hauptsächlich aus Proteinkomponenten (Histone und Nicht-Histone), Nukleinsäurekomponenten (DNA und kleine Mengen RNA) und einigen Metallionen usw.

F6. Was würde passieren, wenn eine Person ein zusätzliches Chromosom hat?

Antworten: Zusätzliche Chromosomen in den Zellen einer Person führen zu Chromosomenanomalien.

Das Vorhandensein einer zusätzlichen Kopie des 21. Chromosoms (Trisomie) führt zum Down-Syndrom. Das Klinefelter-Syndrom wird durch ein zusätzliches X-Chromosom im Individuum verursacht, wodurch sein Genotyp 44+XXY entsteht.

F7. Welche Chromosomentypen gibt es, basierend auf der Position des Zentromers?

Antworten: es gibt vier Arten von Chromosomen basierend auf der Position des Zentromers

1. Metazentrisch
2. Submetazentrisch
3. Akrozentrisch
4. Telezentrisch

F8. Nennen Sie zwei Möglichkeiten, Chromosomen zu klassifizieren.

Antworten: Chromosomen werden nach mehreren Kriterien klassifiziert:

1. Basierend auf Position des Zentromers:

• Metazentrisch: Zentromer befindet sich in der Mitte des Chromosoms
• Submetazentrisch: Zentromer ist nahe der Mitte des Chromosoms vorhanden
• Akrozentrisch: Zentromer ist in der Nähe des einen Endes des Chromosoms vorhanden
• Telozentrisch: Zentromer befindet sich an der Endposition des Chromosoms 

• Basierend auf Geschlechtschromosomen:

• Autosomen: Verantwortlich für die normalen Funktionen des Körpers
• Allosomen: verantwortlich für die sekundären Geschlechtsmerkmale

F9. Was sind Histone? Was sind ihre wichtigen Funktionen?

Antworten: Histone sind basische und positiv geladene DNA-bindende Proteine ​​(da DNA negativ geladen ist), die beim Supercoiling der DNA helfen. Histone bilden einen Kern, der das Umhüllen der DNA fördert. Somit ist die Histonbindung für die Regulierung der Expression von Genen verantwortlich.

Q10. Wie viele Histone-Typen sind in eukaryotischen Zellen vorhanden?

Antworten: In eukaryontischen Zellen kommen fünf Arten von Histonproteinen vor. Von fünf sind vier an der Bildung des Histonkerns des Nukleosoms beteiligt (H2A, H2B, H3 und H4), während H1 an die DNA auf der Nukleosomoberfläche bindet.

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