CHROMATIN: TYPY, VLASTNOSTI, STRUKTURA, FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Chromatin je komplex tvořený DNA a proteiny pouze v eukaryotických organismech. Pokud jde o poměr, obsahuje téměř dvakrát tolik bílkovin než genetický materiál. Nejdůležitější proteiny v tomto komplexu jsou histony - malé, pozitivně nabité proteiny, které se vážou k DNA prostřednictvím elektrostatických interakcí. Kromě toho má chromatin více než tisíc proteinů jiných než histony.

Základní jednotkou chromatinu je nukleozom, který se skládá ze spojení histonů a DNA. Toto uspořádání připomíná korálky na náhrdelníku. Když projdeme všechny vyšší úrovně organizace DNA, dostaneme se na chromozomy.

Zdroj: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd

Chromatinová struktura úzce souvisí s kontrolou genové exprese. Existují dva hlavní typy: euchromatin a heterochromatin.

Euchromatin se vyznačuje nízkým stupněm zhutnění, což se promítá do vysoké úrovně transkripce. Naproti tomu je heterochromatin transkripčně inaktivní, vzhledem k jeho vysokému stupni zhutnění.

Strukturálně existují určité epigenetické znaky histonů typické pro oba typy chromatinů. Zatímco euchromatin je spojován s acetylací, heterochromatin je spojen se snížením chemických skupin.

Existují oblasti heterochromatinu se strukturálními funkcemi, jako jsou telomery a centromery.

Historická perspektiva

Studium genetického materiálu a jeho strukturální organizace začalo v roce 1831, kdy výzkumník Robert Brown popsal jádro. Jednou z okamžitých otázek k tomuto objevu bylo zjistit biologickou a chemickou povahu této struktury.

Tyto otázky začaly být objasňovány v letech 1870 až 1900 experimenty Friedricha Mieschera, který představil slovo nuklein. Walther Flemming však tento termín modifikuje a používá chromatin k označení jaderné látky.

S postupem času začíná člověk mít hlubší znalosti o genetickém materiálu a jeho vlastnostech. Až v roce 1908 si italský vědec Pasquale Baccarini všiml, že chromatin není homogenní a podařilo se mu vizualizovat malá těla uvnitř jádra.

Typy chromatinů - euchromatin a heterochromatin - byly původně navrženy Emilem Heitzem v roce 1928. Pro stanovení této klasifikace se Heitz spoléhal na použití skvrn.

V roce 1974 biolog Roger Kornberg navrhl model organizace genetického materiálu ve strukturách známých jako nukleosomy, hypotéza byla empiricky potvrzena experimenty s Markusem Nollem.

Co je chromatin?

Chromatinové složky: DNA a proteiny

Chromatin je nukleoprotein vytvořený spojením genetického materiálu - DNA - s heterogenní sadou proteinů. Toto spojení je vysoce dynamické a získává komplexní trojrozměrnou konformaci, která mu umožňuje vykonávat jeho regulační a strukturální funkce.

Jedním z nejdůležitějších proteinů v chromatinu jsou histony, které se nacházejí téměř ve stejném poměru jako DNA.

Histony jsou základní bílkoviny, pozoruhodně konzervované v celé evoluční historii organických bytostí - to znamená, že se naše histony příliš neliší ve srovnání s těmi, které mají ostatní savci, dokonce i jiné zvíře vzdálenější fylogeneticky.

Náboj histonů je pozitivní, takže mohou interagovat elektrostatickými silami se záporným nábojem fosfátového hlavního řetězce přítomného v DNA. Existuje pět typů histonů, jmenovitě H1, H2A, H2B, H3 a H4.

Existuje také řada proteinů jiné povahy než histony, které se účastní zhutňování DNA.

Zhutnění DNA: nukleosomy

Základní jednotkou chromatinu jsou nukleosomy - opakující se struktury tvořené DNA a histony, konformace nalezená v celém genetickém materiálu.

Dvojitá spirála DNA je navinuta do komplexu osmi histonů známých jako oktamer histonu. Molekula se stočí přibližně ve dvou zatáčkách, následuje krátká oblast (mezi 20 a 60 páry párů bází), která odděluje nukleosomy od sebe navzájem.

Abychom porozuměli této organizaci, musíme vzít v úvahu, že molekula DNA je extrémně dlouhá (asi 2 metry) a musí být řádně navinuta, aby se v jádru usadila (jejíž průměr je 3 až 10 µm). Dále musí být k dispozici pro replikaci a přepis.

Tohoto cíle je dosaženo při různých úrovních zhutňování DNA, z nichž první jsou výše uvedené nukleosomy. Ty se podobají korálkům na perlovém náhrdelníku. Přibližně 150 párů bází DNA je doma „v počtu“.

V bakteriích neexistují žádné skutečné příběhy. Naproti tomu existuje řada proteinů, které připomínají histony, a předpokládá se, že přispívají k balení bakteriální DNA.

Nejvyšší organizace

Organizace chromatinu není na úrovni nukleosomů omezena. Tato asociace proteinů a DNA je seskupena do tlustší struktury asi 30 nm - kvůli této tloušťce se nazývá úroveň „vlákna 30 nm“.

Chromatin organizovaný v tloušťce 30 nm je organizován ve formě smyček, které se rozprostírají v druhu lešení proteinové povahy (nikoli histonů).

Toto je v současnosti používaný model, ačkoliv lze očekávat složitější mechanismy zhutňování. Konečná organizace se skládá z chromozomu.

Chyby v organizaci chromatinu

Zhutnění a organizace genetického materiálu je životně důležitá pro mnohočetné biologické funkce. S chybami v chromatinové struktuře byly spojeny různé zdravotní stavy, mezi jinými X-vázaná alfa thalassémie, Rubinstein-Taybiho syndrom, Coffin-Lowryho syndrom, Rettův syndrom.

Typy chromatinů

V buňce jsou dva typy chromatinu odhalené aplikací skvrn: euchromatin („pravý“ chromatin) a heterochromatin. V prvním případě je barvení slabě pozorováno, zatímco ve druhém je barvení intenzivní.

Tato strukturální organizace DNA je jedinečná pro eukaryotické organismy a je zásadní pro chování chromozomů a regulaci genové exprese.

Pokud vyhodnotíme podíly obou typů chromatinů v buňce, která je v rozhraní, zjistíme, že přibližně 90% chromatinu je euchromatin a zbývajících 10% odpovídá heterochromatinu. Každý typ podrobně popíšeme níže:

I. Heterochromatin

vlastnosti

Hlavní rozdíl, který existuje mezi oběma typy chromatinu, souvisí se stupněm zhutnění nebo „zabalení“ molekuly během specifických fází buněčného dělení.

Ačkoli se zdá, že genetický materiál je na rozhraní náhodně rozptýlen, není tomu tak.

V této fázi existuje významná organizace, kde je uvnitř jádra vidět rozdílné rozdělení chromozomálního materiálu.

DNA chromozomů se neprotíná s řetězcem DNA jiných chromozomů a zůstává ve specifických oblastech zvaných chromozomální území. Zdá se, že tato organizace přispívá k genové expresi.

Heterochromatin je silně zkondenzovaný, takže je pro přepisovací stroj nepřístupný - proto není přepisován. Také je chudý z hlediska počtu genů, které má.

Druhy heterochromatinu

Některé oblasti heterochromatinu přetrvávají v celé buněčné linii - to znamená, že se bude vždy chovat jako heterochromatin. Tento typ heterochromatinu je známý jako konstitutivní. Příkladem toho jsou kondenzované oblasti chromozomů nazývané centromery a telomery.

Naproti tomu existují části heterochromatinu, které mohou měnit úroveň zhutnění v reakci na změny ve vývojových vzorcích nebo proměnných prostředí.

Díky novým studiím se tento pohled přeformuluje a nyní existuje důkaz, že konstitutivní heterochromatin je také dynamický a schopný reagovat na podněty.

Struktura

Jedním z faktorů, které určují strukturu chromatinu, jsou chemické modifikace histonů. V případě chromatinu, který je transkripčně neaktivní, vykazují hypoacetylované histony.

Snížení počtu acetylových skupin je spojeno s umlčováním genů, protože nemaskuje kladný náboj lysinů, což umožňuje silnou elektrostatickou interakci mezi DNA a histony.

Další epigenetickou značkou je methylace. Protože však přidání methylové skupiny nemodifikuje náboj proteinu, jeho důsledek (aktivace nebo deaktivace genů) není tak zřejmý a bude záviset na oblasti histonu, kde se značka nachází.

Empiricky bylo zjištěno, že methylace H3K4me3 a H3K36me3 je spojena s aktivací genu a H3K9me3 a H3K27me3.

Funkce

V příkladu konstitutivního heterochromatinu zmiňujeme centromeru. Tato chromozomální oblast má strukturální roli a přispívá k pohybu chromozomů během událostí dělení mitotických i meiotických buněk.

II. Euchromatin

vlastnosti

Na rozdíl od heterochromatinu je euchromatin méně kompaktní molekula, takže transkripční aparát má snadný přístup (konkrétně enzym RNA polymerázy) a může být aktivně exprimován genetickými cestami.

Struktura

Struktura nukleosomu transkripčně aktivního chromatinu je charakterizována acetylovanými histony. Přítomnost monomethylovaných lysinů je také spojena s aktivací genu.

Přidání acetylové skupiny k těmto histonovým lysinovým zbytkům neutralizuje pozitivní náboj uvedené aminokyseliny. Okamžitým důsledkem této změny je snížení elektrostatických interakcí mezi histonem a DNA, čímž se vytvoří volnější chromatin.

Tato strukturální modifikace umožňuje interakce genetického materiálu s transkripčním mechanismem, který se vyznačuje zejména objemností.

Funkce

Euchromatin zahrnuje všechny geny, které jsou aktivní a podařilo se jim dosáhnout enzymatickým mechanismem souvisejícím s transkripcí. Funkce jsou proto stejně široké jako funkce příslušných genů.

Reference

1. Grewal, SI, a Moazed, D. (2003). Heterochromatin a epigenetická kontrola genové exprese. Science, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B. a Cardoso, MC (2012). Heterochromatin a umístění genů: uvnitř, venku, z jakékoli strany? Chromosoma, 121 (6), 555–563.
3. Lewin, B. (2008). Geny IX. Vydavatelé Jones a Bartlett.
4. Tollefsbol, TO (2011). Příručka epigenetiky. Academic Press.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Nové poznatky o regulaci heterochromatinu. Trendy v genetice: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG a Pollock, RE (2016). Přehled proteinů regulujících chromatin v buňkách. Současná věda o proteinech a peptidech, 17 (5), 401–410.