Inhoud
- Chromatine bevat DNA en eiwitten
- Histonen bestaan uit basiseiwitten
- Nucleosomen zijn de structurele eenheden van chromatine
- Nucleosomen naar structuren van hogere orde
- Onderhoud van gecondenseerde chromosoomstructuren door SMC-eiwitten
- Niveau van organisatie in bacterieel DNA
- Conclusies
- Vraag en antwoord interview
Chromatine bevat DNA en eiwitten
De celdeling of celcyclus in eukaryotencellen induceert significante veranderingen in de chromosomale structuur. In de eukaryote cellen die aanwezig zijn in de G0 fase (niet-delende fase) en die in de beginfasen van de celcyclus, zoals G1-, S- en G2-fase (stadia van interfase), is het chromatine (chromosomaal materiaal) amorf en willekeurig verspreid in specifieke delen van de kern .
In de S-fase, DNA-replicatie (duplicatie) optreedt, die al aanwezig is in de amorfe toestand. Dus elk chromosoom produceert twee zusterchromatiden (zusterchromosomen genoemd) die met elkaar verbonden blijven, zelfs nadat de replicatie is voltooid.
Het chromatine wordt aanzienlijk meer gecondenseerd tijdens de profase van mitose en verschijnt in een specifiek aantal zusterchromatiden dat specifiek is voor soorten.
Chromatine omvat draadachtige structuren die eiwitten bevatten en DNA is ongeveer gelijk aan massa's. Een kleine hoeveelheid RNA is meestal aanwezig in chromatine. In chromatine zijn de eiwitten stevig verbonden met het DNA. Deze eiwitten staan bekend als histonen. DNA plakt over histon-eiwitten om bouwstenen te vormen van de chromatinestructuur die bekend staat als een nucleosoom.
Evenzo worden ook tal van niet-histoneiwitten in chromatine aangetroffen. Histon-eiwitten zijn over het algemeen betrokken bij de regulatie van genexpressie, samen met het integrale onderhoud van de chromosomale structuur.
Beginnend met nucleosomen, is eukaryotisch chromosomaal DNA verpakt in een opeenvolging van structuren op een hoger niveau die uiteindelijk een compact ontwerp opleveren dat bekend staat als chromosoom en dat kan worden gezien met behulp van een microscoop met een laag vergrotend vermogen (lichtmicroscoop). We kunnen deze goed zichtbare compacte structuur gemakkelijk vergelijken met het DNA van een bacterie.
Histonen bestaan uit basiseiwitten
- Histonen komen voor in het chromatine van bijna elke eukaryote cel.
- Histonen hebben een molecuulgewicht tussen 11,000 en 21,000 kilodalton.
- Histonen hebben een overvloed aan aminozuren zoals lysine en arginine (ongeveer 25%) die basisch van aard zijn.
- De histoneiwitten die aanwezig zijn in eukaryote cellen worden ingedeeld in vijf verschillende klassen op basis van hun aminozuursamenstelling en molecuulgewicht. Dit zijn namelijk: H1, H2A, H2B, H3 en H4.
Histonen-eiwitten zoals H1, H2A en H2B vertonen de minste sequentieovereenkomst tussen eukaryoten.
De H4-histoneiwitten hebben geconserveerde functies en slechts 2 van de 102 aminozuurresiduen verschillen van de aminozuurresiduen van H4-histoneiwitten van erwten en koeien. Slechts acht aminozuurresiduen verschillen in de aminozuurresiduen van gist en mensen. De aminozuurvolgorde is bijna identiek in alle eukaryoten.
Elke soort histon heeft variaties in structuren en aminozuursequentie; het is omdat de zijketens van aminozuren enzymatisch worden gemanipuleerd door glycosylering, fosforylering, ADP-ribosylering en acetylering of methylering. Deze chemische modificaties kunnen de vorm, de netto elektrische lading en verschillende andere eigenschappen van histonen beïnvloeden. Ze beïnvloeden ook de functionele en structurele eigenschappen van het chromatine en reguleren de transcriptie.
Nucleosomen zijn de structurele eenheden van chromatine
Een eukaryoot chromosoom is een zeer compacte vorm van een DNA-molecuul met een lengte van ongeveer 105 micrometer, die in de kern van ongeveer 10 micrometer gaat passen. Deze verdichting omvat verschillende niveaus van continue vouw- en supercoiling-gebeurtenissen.
Het behandelen van chromosomen voor gedeeltelijke ontvouwing onthult dat er regelmatig enkele strak gebonden kralen van eiwitten zoals structuren aanwezig zijn.
Deze "kralen aan een touwtje"-structuren zijn eigenlijk de complexen van histon-eiwitten en DNA. De Bead (DNA en histonen) en het verbindende DNA tussen de twee kralen vormen een nucleosoom. Een nucleosoom is de structurele eenheid van het hogere-orde chromatine (chromosomen) dat in een cel aanwezig is.
Elke kraal van een nucleosoom bestaat uit acht histonmoleculen: twee duplicaten van elk H4, H3, H2A en H2B. Een enkel nucleosoom bevat 200 bp DNA, waarvan 146 bp DNA strak om de histonkern is gewikkeld.
Daarentegen werkt het resterende DNA als een linker-DNA tussen twee nucleosomenkorrels en bindt het aan de H1-subeenheid van het histon-eiwit.
Wanneer chromatine wordt behandeld met DNA-verterende enzymen, veroorzaakt het selectieve vertering van linker-DNA, wat resulteert in het losmaken van histondeeltjes die 146 bp gebonden DNA bevatten dat is beschermd tegen DNA-verterende enzymen.
Wetenschappers hebben nucleosoom met succes gezuiverd en na röntgendiffractiestudies is waargenomen dat een nucleosoom bestaat uit de acht histonmoleculen met wat gewikkeld DNA eromheen dat aanwezig is in de vorm van een linkshandige solenoïdale supercoil.
Latere studies rechtvaardigden het ondergewikkelde eukaryote DNA ondanks de aanwezigheid van eiwitten die het DNA onderwinden. Dit toont aan dat nucleosomen met een solenoïdale omhulling van DNA eigenlijk een type supercoiling is dat kan worden bezeten door het ondergewikkelde (negatief supercoiled) DNA. Om het DNA strak om de histonen te wikkelen, moeten eiwitten rond één draai in het DNA worden geëlimineerd.
Wanneer de nucleosoomkerneiwitten in een ontspannen toestand aan een circulair DNA binden, induceert dit negatieve supercoiling in het gesloten circulaire DNA. Aangezien dit bindingsproces het DNA niet breekt of het koppelingsgetal verandert, zou de ontwikkeling van negatieve solenoïdale supercoiling enige positieve supercoiling moeten hebben voor compensatie in het ongebonden gebied van het DNA.
De eukaryote topoisomerases kunnen omgaan met positieve supercoiling door de positieve supercoil (ongebonden) te ontspannen en de negatieve supercoil gefixeerd te laten (door de plaats vanwaar deze is gekoppeld aan de kerneiwitten van de histon), wat resulteert in een netto afname van het koppelingsgetal . Het is zeker bewezen dat topoisomerasen essentieel zijn voor het in vitro associëren van chromatine verkregen uit histonen en het circulaire DNA.
De volgorde van de DNA-binding aan de histon-eiwitten beïnvloedt ook de bindingssterkte en andere parameters van DNA-binding met histonen. Histoneiwitten binden niet willekeurig met het DNA. Hoewel het mechanisme tot nu toe niet duidelijk wordt begrepen, binden de Histon-eiwitten bij voorkeur met het DNA van de AT-rijke sequentie (sequentie met veel AT-basenparen).
De hechte binding van het DNA over het histoncentrum van het nucleosoom heeft een kleine groefcompressie in het DNA nodig op bindingspunten. Er moeten ook enkele (2 of 3) AT-basenparen zijn om het compressieproces haalbaarder te maken.
Er zijn ook verschillende andere eiwitten nodig om DNA nauwkeurig op de nucleosomale histonkern te positioneren. In een paar organismen interageren verschillende eiwitten met een bepaalde DNA-sequentie en helpen ze een complex te vormen met een nucleosomale histonkern. Dit proces moduleert ook de genexpressie in eukaryoten.
Nucleosomen naar structuren van hogere orde
Wikkeling van DNA rond een histonkern van nucleosoom verkort de DNA-lengte ongeveer zevenvoudig. De verdichting in een chromosoom is zo hoog als 10,000 vouwen ondersteund door voldoende bewijs voor de aanwezigheid van de hogere orde chromosomale organisatie. Sommige geïsoleerde chromosomen laten zien dat nucleosomen bestaan in sterk georganiseerde structuren die bekend staan als 30 nm-vezels.
Dat soort verpakkingen heeft één molecuul H1-histon per nucleosoom nodig. Nucleosoomorganisatie in 30 nm-vezels is niet aanwezig over de hele chromosoomset, wordt afgewisseld door gebieden waar DNA is gebonden met sequentiespecifieke niet-histoneiwitten. De 30 nm-structuur verschijnt bovendien in het gebied waar transcriptionele activiteit plaatsvindt.
Gebieden waarin genen onder expressie of transcriptie zijn, bevinden zich duidelijk in een minder geordende toestand met zeer weinig of lage H1-histonsubeenheid. De 30 nm-vezel wordt beschouwd als de tweede graad van chromatine-associatie, waardoor het DNA 100-voudige compactheid krijgt.
Hoewel het exacte mechanisme van supercoiling op een hoger niveau nog steeds niet duidelijk is, lijkt het erop dat sommige DNA-gebieden een interactie aangaan met de nucleaire scaffold.
Het scaffold-gebied (waar DNA bindt met de histon van een nucleosoom) is zeldzaam gescheiden door een 20 tot 100 kbp lange DNA-lus. Dit lus-DNA kan ook enkele verwante genen bevatten. In Drosophila bijvoorbeeld, groeperen histon-coderende genen zich in lussen en binden ze aan de steiger.
De scaffold lijkt weinig andere eiwitten te bevatten, veel histon H1 (gelegen in de binnenstructuur van de vezel) en topoisomerase II. De aanwezigheid van topoisomerase II wijst verder op de relatie tussen chromatinestructuur en DNA-onderwikkeling.
Topoisomerase II is zo essentieel voor het behoud van de chromatinestructuur dat remmers van het topoisomerase II-enzym delende cellen kunnen doden. Deze remmers bevorderen het breken van strengen, maar laten topoisomerase II deze breuken niet afdichten.
Er is bewijs voor extra associatielagen in eukaryote chromosomen, waarbij elke laag het niveau van verdichting aanzienlijk verbetert.
De chromatinestructuur op een hoger niveau verandert vermoedelijk van chromosoom tot chromosoom, binnen een chromosoom en van toestand tot toestand van het bestaan van een cel. Geen enkel model is echter in staat deze structuren te verklaren. Hoewel de regel duidelijk is: in eukaryote chromosomen heeft DNA-verdichting condensatie op spiralen.
Het woord "chromosoom" verwijst naar een nucleïnezuur, dat het reservoir is van de genetische informatie van een organisme. Evenzo wordt deze term ook gebruikt voor de compact opeengepakte gekleurde structuren die zichtbaar zijn in de kern van een gekleurde kleurstofcel die zichtbaar is onder een microscoop.
Onderhoud van gecondenseerde chromosoomstructuren door SMC-eiwitten
De derde klasse van chromatine-eiwitten, samen met de histonen en topoisomerases, zijn de SMC-eiwitten (structureel onderhoud van chromosomen). De structuurconstructie van SMC-eiwitten bevat vijf specifieke domeinen.
De carboxyl-terminale amino-terminal van het globulaire domein speelt een rol bij ATP-hydrolyse en is geassocieerd met de a-helix spiraalvormige motieven die zijn bevestigd aan het scharnierdomein. Dit zijn dimeer eiwit dat een V-vormig complex vormt dat ook is verbonden met het scharnierdomein.
Het C- en N-domein komt in de buurt om de vorming van de ATP-hydrolytische plaats aan beide uiteinden van het V-complex te voltooien. Eiwitten die in de SMC-familie worden vermeld, worden over het algemeen aangetroffen in veel levende organismen, van microben tot zoogdieren. Eukaryoten hebben grofweg twee soorten SMC-eiwitten, namelijk condensines en cohesines.
Aangenomen wordt dat de cohesines een belangrijke rol spelen bij het samenvoegen van zusterchromatiden na replicatie totdat ze condenseren om chromosoom te vormen in de metafase. Deze interactie is belangrijk omdat chromosomen tijdens de celdeling goed los moeten komen.
Hoewel goed verklaarde mechanismen waardoor cohesines zusterchromosomen verbinden en het belang van ATP-hydrolyse niet duidelijk worden begrepen. Terwijl de cel zich voorbereidt op de mitose, speelt condensine een belangrijke rol bij de chromosomale condensatie.
Onder in vitro omstandigheden interageren condensinen met het DNA en maken positieve supercoils; het beperken van condensine zorgt ervoor dat het DNA overspoeld raakt, in plaats van onderwikkeling geïnitieerd door de nucleosoombinding. De exacte mechanismen waardoor condensine de verdichting van chromatine bevordert, is nog niet duidelijk begrepen.
Niveau van organisatie in bacterieel DNA
We staan op het punt om de gedetailleerde structuur van bacteriële chromosomen. Het bacteriële DNA is aanwezig in de vorm van een compacte structuur die bekend staat als een nucleoïde. Het neemt een groot deel van het celvolume in beslag (Figuur). Het DNA sluit op verschillende plaatsen aan op het binnenmembraan van het plasmamembraan.
In vergelijking met het eukaryote chromatine zijn er minder details bekend over het nucleoïde. In E. coli lijkt een scaffold-achtige structuur het gesloten cirkelvormige chromosoom te rangschikken in een rangschikking van lussen, zoals hierboven afgebeeld voor chromatine. Bacterieel DNA lijkt echter geen enkele structuur te hebben die lijkt op de eukaryote nucleosomen.
Hoewel E. coli verschillende eiwitten heeft die lijken op de eukaryote histonen (ze zijn meestal dimeer (Mw 19,000 KDa), zijn ze niet erg stabiel en worden ze binnen enkele minuten afgebroken. Ze worden dus niet gevonden in de vorm van een DNA-histoncomplex. bacterieel chromosoom biedt meer toegankelijke genetische informatie; daarom wordt het beschouwd als een veel dynamisch bio-macromolecuul.
De bacterie deelt zich door binaire splitsing (een soort celdeling) en het duurt ongeveer 15 minuten. Daarentegen gaat een gewone eukaryote cel uren of zelfs maanden niet in de delingscyclus. Evenzo wordt een veel significant deel van prokaryotisch DNA gebruikt voor het coderen van RNA en eiwit.
Verhoogde snelheden van cellulair metabolisme in microben impliceren dat een groot deel van het DNA op een bepaald moment transcriptie of replicatie ondergaat in vergelijking met eukaryote cellen.
Conclusies
In dit artikel hebben we het gehad over de cruciale aspecten van DNA-verpakking en hogere-ordestructuren. Voor een beter begrip van dit onderwerp kunt u ons artikel over: DNA-supercoiling.
Vraag en antwoord interview
Q1. Wat zijn de functies en structuur van een chromosoom?
Antwoord: Chromosomen hebben de vorm van een draad en worden in de kern van een eukaryote cel geplaatst. Prokaryoten hebben niet meerdere chromosomen. In plaats daarvan hebben ze over het algemeen een enkel cirkelvormig chromosoom dat bekend staat als een nucleoïde. Chromosomen zijn DNA (meestal een enkel DNA-molecuul) en eiwitten (histonen en sommige niet-histoneiwitten). De exclusieve functie van chromosomen is dat ze genen dragen die verantwoordelijk zijn voor de overerving van genetische eigenschappen en de overdracht van genetische informatie aan nakomelingen.
Q2. Hoe kunnen veranderingen in de structuur van chromosomen een individu beïnvloeden?
Antwoord: Er zijn veel factoren die verantwoordelijk zijn voor de structurele veranderingen in de chromosomen. Deze veranderingen kunnen leiden tot verschillen in de genexpressie van een individu, die uiteindelijk ook veranderingen in de eiwitexpressie en de lichaamsfuncties veroorzaken.
Q3. Hoe wordt een zeer lange DNA-structuur in de kleine kernen ingepast?
Antwoord: DNA dat aanwezig is in de chromosomen heeft een lengte van centimeters. Het past in de kern met stralen in de orde van micrometers met behulp van nucleïnezuren die histon-eiwitten binden. Het DNA van chromosomen is negatief geladen, dat bindt aan de positief geladen histon-eiwitten om nucleosomen te vormen. Een enkel nucleosoom wikkelt zich rond 146 basenparen DNA, wat 1.65 windingen maakt op de histonkern.
Q4. Welke twee soorten chromosomen zijn er?
Antwoord: Op basis van het geslacht van een persoon worden chromosomen in twee categorieën verdeeld:
- 1- Autosomen (verantwoordelijk voor het functioneren van het lichaam. Ze zijn 44 in aantal, 22 paar)
- 2- Allosomen (geslachtschromosomen, verantwoordelijk voor het functioneren van de secundaire geslachtskenmerken ze zijn 2 in aantal, één paar)
Mensen hebben autosomen (22 paar) en allosomen (één paar) of geslachtschromosomen.
V5. Noem de componenten van eukaryote chromosomen.
Antwoord: De chromosomen in eukaryoten zijn voornamelijk samengesteld uit eiwitcomponenten (histonen en niet-histonen), nucleïnezuurcomponenten (DNA en een kleine hoeveelheid RNA) en enkele metaalionen, enz.
Q6. Wat zou er gebeuren als een persoon een extra chromosoom heeft?
Antwoord: Extra chromosomen in de cellen van een persoon leiden tot chromosomale afwijkingen.
De aanwezigheid van een extra kopie van het 21e chromosoom (trisomie) leidt tot het syndroom van down. Het syndroom van Klinefelter wordt veroorzaakt door een extra X-chromosoom in het individu, waardoor het genotype 44+XXY wordt.
Q7. Wat zijn de soorten chromosomen op basis van de positie van het centromeer?
Antwoord: er zijn er vier soorten chromosomen gebaseerd op de positie van de centromeer
- metacentrisch
- Sub-metacentrisch
- Acrocentrisch
- telocentrisch
Q8. Noem twee manieren om chromosomen te classificeren.
Antwoord: Chromosomen worden geclassificeerd op basis van verschillende criteria:
- Gebaseerd op de positie van centromeer:
- Metacentrisch: Centromeer is aanwezig in het midden van chromosoom
- Sub-metacentrisch: Centromeer is aanwezig nabij het midden van chromosoom
- Acrocentrisch: Centromeer is aanwezig nabij het ene uiteinde van het chromosoom
- Telocentrisch: Centromeer is aanwezig op de eindpositie van het chromosoom
- Gebaseerd op geslachtschromosomen:
- autosomen: Verantwoordelijk voor de normale functies van het lichaam
- allosomen: verantwoordelijk voor de secundaire geslachtskenmerken
Vraag 9 Wat zijn histonen? Wat zijn hun belangrijke functies?
Antwoord: Histonen zijn basische en positief geladen DNA-bindende eiwitten (aangezien DNA negatief geladen is) die helpen bij het supercoilen van DNA. Histonen vormen een kern die ervoor zorgt dat het DNA zich eromheen wikkelt. Histonbinding is dus verantwoordelijk voor het reguleren van de expressie van genen.
Q10. Hoeveel soorten histonen zijn aanwezig in eukaryote cellen?
Antwoord: Vijf soorten histon-eiwitten worden gevonden in eukaryote cellen. Van de vijf zijn er vier betrokken bij het vormen van de histonkern van nucleosoom (H2A, H2B, H3 en H4), terwijl H1 bindt met DNA op het nucleosoomoppervlak.
Lees ook:
- DNA-replicatie versus polymerase
- Is prokaryoot DNA een dubbele helix?
- DNA-transcriptie-enzym
- Hebben prokaryoten DNA-replicatie?
- Antiparallelle DNA-strengen 2
- DNA-transcriptiediagram
- Uracil in DNA-replicatie
- Volgorde van stikstofbasen in DNA
Ik ben Abdullah Arsalan, heb mijn doctoraat in de biotechnologie afgerond. Ik heb 7 jaar onderzoekservaring. Ik heb tot nu toe zes artikelen gepubliceerd in tijdschriften met een internationale reputatie met een gemiddelde impactfactor van 6, en er zijn er nog een paar in behandeling. Ik heb onderzoekspapers gepresenteerd op verschillende nationale en internationale conferenties. Mijn interessegebied is biotechnologie en biochemie met speciale nadruk op eiwitchemie, enzymologie, immunologie, biofysische technieken en moleculaire biologie.