CO JE BALENÍ DNA? - BIOLOGIE - 2025

Balení DNA je termín, který definuje řízené zhutnění DNA v buňce. V žádné buňce (a ve skutečnosti ani ve virech) není DNA, uvolněná a ve skutečném řešení.

DNA je extrémně dlouhá molekula, která také vždy interaguje s obrovským množstvím různých proteinů. Pro zpracování, dědičnost a kontrolu exprese genů, které nese, si DNA osvojí zvláštní prostorovou organizaci. Toho je dosaženo buňkou přísnou kontrolou každého kroku balení DNA na různých úrovních zhutnění.

Chromatin: od uvolněného (vlevo) po kondenzovaný (vpravo). Převzato z webu commons.wikimedia.org

Viry mají různé strategie balení svých nukleových kyselin. Jednou z oblíbených je tvorba kompaktních spirál. Dalo by se říci, že viry jsou nukleové kyseliny zabalené do samotných proteinů, které je zakrývají, chrání a mobilizují.

V prokaryotech je DNA spojena s proteiny, které určují tvorbu komplexních smyček ve struktuře zvané nukleoid. Na druhé straně je maximální hladinou zhutnění DNA v eukaryotických buňkách mitotický nebo meiotický chromozom.

Jediným případem, kdy B-DNA není zabalena, je výzkumná laboratoř, která sleduje tento účel.

Struktura DNA

DNA je tvořena dvěma antiparalelními pásy, které tvoří dvojitou spirálu. Každý z nich má kostru fosfodiesterové vazby, na které jsou navázány cukry vázané na dusíkaté báze.

Uvnitř molekuly tvoří dusíkaté báze jednoho pásu vodíkové vazby (dvě nebo tři) s komplementárním pásem.

V molekule, jako je tato, vykazuje většina důležitých vazebných úhlů volnou rotaci. Dusíkový základní cukr, cukr-fosfátová skupina a fosfodiesterové vazby jsou flexibilní.

To umožňuje, aby DNA, vnímaná jako pružná tyč, vykazovala určitou schopnost se ohýbat a kroucovat. Tato flexibilita umožňuje DNA přijímat složité místní struktury a vytvářet interakční smyčky na krátké, střední a velké vzdálenosti.

Tato flexibilita také vysvětluje, jak lze udržovat 2 metry DNA v každé diploidní buňce člověka. V gamete (haploidní buňce) by to byl metr DNA.

Bakteriální nukleoid

Ačkoli to není nerozbitné pravidlo, bakteriální chromozom existuje jako jediná supercoiled dvojpásmová molekula DNA.

Dvojitá spirála se krouží více na sobě (více než 10 bp na otáčku), a tak vytváří určité zhutnění. Lokální uzly jsou generovány také díky manipulacím, které jsou enzymaticky kontrolovány.

Kromě toho existují sekvence v DNA, které umožňují doménám tvořit se ve velkých smyčkách. Říkáme struktuře, která je výsledkem podchlazení, a uspořádáme smyčky nukleoid.

Tyto procházejí dynamickými změnami díky některým proteinům, které poskytují kompaktní chromozomu určitou strukturální stabilitu. Míra zhutnění bakterií a archaea je tak účinná, že na jeden nukleoid může být více než jeden chromozom.

Nukleoid zhutňuje prokaryotickou DNA alespoň asi 1000krát. Velmi topologická struktura nukleoidu je základní součástí regulace genů, které chromozom nese. To znamená, že struktura a funkce tvoří stejnou jednotku.

Úrovně zhutnění eukaryotického chromozomu

DNA v eukaryotickém jádru není nahá. Interaguje s mnoha proteiny, z nichž nejdůležitější jsou histony. Histony jsou malé, pozitivně nabité proteiny, které se nespecificky vážou na DNA.

V jádru pozorujeme komplexní DNA: histony, které nazýváme chromatin. Vysoce kondenzovaným chromatinem, který se obecně neexprimuje, je heterochromatin. Naopak nejméně zhutněný (volnější) nebo euchromatin je chromatin s geny, které jsou exprimovány.

Chromatin má různé úrovně zhutnění. Nejzákladnější je nukleozom; Následuje solenoidní vlákno a mezifázové chromatinové smyčky. Maximální hladiny zhutnění jsou zobrazeny pouze v případě, kdy se chromozom dělí.

Nukleozom

Nukleozom je základní jednotkou organizace chromatinu. Každý nukleozom je tvořen oktamerem histonů, které tvoří určitý druh bubnu.

Oktamer je tvořen dvěma kopiemi každého z histonů H2A, H2B, H3 a H4. Okolo nich se DNA pohybuje kolem 1,7krát. Následuje frakce volné DNA, která se nazývá 20 bp linker asociovaný s histonem H1, a poté další nukleosom. Množství DNA v nukleosomu a to, co ji váže k jinému, je asi 166 párů bází.

Tento krok balení DNA zhutňuje molekulu asi 7krát. To znamená, že jdeme z jednoho metru na něco přes 14 cm DNA.

Toto zabalení je možné, protože pozitivní histony ruší negativní náboj DNA a následné elektrostatické sebepoškození. Druhým důvodem je to, že DNA může být ohnuta tak, že může převrátit oktamer histonů.

30nm vlákno

Vlákno korálků v náhrdelníku tvořené mnoha po sobě jdoucími nukleosomy je dále navinuto do kompaktnější struktury.

Ačkoli nejsme si jisti, jakou strukturu skutečně přijme, víme, že dosahuje tloušťky asi 30 nm. Toto je tzv. 30 nm vlákno; Histon H1 je nezbytný pro jeho tvorbu a stabilitu.

Vlákno 30 nm je základní strukturální jednotkou heterochromatinu. To laxních nukleosomů, euchromatinu.

Vazby a zatáčky

Vlákno 30 nm však není zcela lineární. Naopak, vytváří meandrovitě smyčky o délce asi 300 nm na málo známé proteinové matrici.

Tyto smyčky na proteinové matrici tvoří kompaktnější chromatinové vlákno o průměru 250 nm. Nakonec se zarovná jako jediná šroubovice o tloušťce 700 nm, což vede ke vzniku jedné ze sesterských chromatidů mitotického chromozomu.

Nakonec se DNA v nukleárním chromatinu zhutní asi 10 000krát na chromozomu dělící se buňky. V interfázovém jádru je jeho zhutnění také vysoké, protože je asi 1000krát ve srovnání s „lineární“ DNA.

Meiotické zhutnění DNA

Ve světě vývojové biologie se říká, že gametogeneze resetuje epigenom. To znamená, že vymaže známky DNA, které vyprodukoval nebo zažil život člověka, který dal vznik gametu.

Tyto značky zahrnují methylaci DNA a kovalentní modifikace histonů (kód pro histony). Ale ne celý epigenom je resetován. To, co zůstane se značkami, bude odpovědné za otcovský nebo mateřský genetický otisk.

Implicitní reset na gametogenezi je u spermií snadnější. Ve spermiích není DNA plná histonů. Proto informace spojené s jeho změnami v produkujícím organismu obecně nejsou zděděny.

Ve spermiích je DNA balena díky interakci s nespecifickými proteiny vázajícími DNA zvanými protaminy. Tyto proteiny spolu vytvářejí disulfidové vazby, což pomáhá vytvářet překrývající se vrstvy DNA, které se elektrostaticky neodpuzují.

Reference

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6. vydání). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Annunziato, A. (2008) DNA Packaging: Nucleosomes and chromatin. Přírodní vzdělávání 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetika: analýza a principy. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Strukturální a funkční mapa bakteriálního nukleoidu. Genome Biology, doi: 10,1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S., Das, R., Harbury, PAB (2008) Remeasuring the double helix. Science, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) Strukturální základ flexibility DNA. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně, série A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) Struktura a funkce DNA. FEBS Journal, 282: 2279-2295.