Уровни упаковки днк кратко
Обновлено: 28.06.2024
Наследственный материал клетки (НМК) состоит наполовину из ДНК и наполовину из белков. Большинство белков НМК относится к гистонам (щелочным белкам). Белки НМК участвуют в упаковке ДНК, а так же регулируют и осуществляют транскрипцию, репликацию и репарацию.
В состав генома человека входит около 3 миллиардов нуклеотидов, таким образом, в каждом клеточном ядре содержится ДНК длиной около метра. Чтобы поместиться в ядре, нить ДНК упаковывается.
Уровни компактизации ДНК
1. Нуклеосомный. Двойная цепочка ДНК наматывается на множество одинаковых белковых комплексов – кóров. Каждый кор состоит из 8 молекул белков-гистонов. Кор с намотанной на него (1,67 оборота) ДНК называется нуклеосома, участок свободной ДНК между нуклеосомами называется линкер.
2. Нуклеомерный. Это фибрилла, состоящая из нуклеомеров (сближенных нуклеосом) и одиночных нуклеосом.
3. Хромомерный. Нуклеомерная фибрилла формирует петли; каждая петля, возможно, содержит один ген. В таком виде наследственный материал находится в интерфазном ядре (состояние хроматина).
4. Хромонемный. Петли укладываются в стопки (хромонемы).
5. Хромосомный. Хромонемы сближаются, получаются плотные образования, хорошо видимые в световой микроскоп – хромосомы.
Упаковка ДНК включает несколько уровней (рис. 11).
Первый уровень заключается в образовании нуклеосомной нити. Нуклеосома состоит из октамера белков-гистонов, обвитого 2 витками ДНК. Октамер (греч. octo - восемь, meros - часть) состоит из 8 глобулярных белков - гистонов (парные Н2А, Н2В, Н3, Н4). Нуклеосомы разделены короткими участками линкерной ДНК. С октамером и частично с участком линкера связывается гистон Н1. Цепь нуклеосом называется нуклеосомной нитью. Она имеет диаметр ~10 нм. ДНК укорачивается в 6 - 7 раз.
Рис. 11. Упаковка ДНК. Строение метафазной хромосомы
Второй уровень упаковки - образование хроматиновой фибриллы. При этом нуклеосомная нить закручивается в спираль диаметром 30 нм. ДНК укорачивается в 40 раз. В дальнейшей упаковке хроматина ведущую роль играют негистоновые белки.
Третий уровень упаковки ДНК - хромомерный. Хроматиновые фибриллы образуют петли - хромомеры, диаметром около 100-150 нм. ДНК укорачивается в 600 раз. Нитчатая хроматиновая структура со средней толщиной 100-200 нм получила название хромонемы. Хромонему можно наблюдать на стадии начальной конденсации хромосом в профазе митоза и при деконденсации хромосом в телофазе.
Четвертый уровень - хромосомный. Заключается в более плотной упаковке петель и образовании “конденсированных участков хромосом” диаметром около 700 нм. Максимальной степени конденсации хромосомы достигают в метафазе митоза/меойза.
Строение хромосом (рис. 11)
Хромосомы на стадии метафазы образованы двумя хроматидами, объединенными в области первичной перетяжки - центромеры. Каждая хроматида представляет собой дочернюю ДНК. В зонах центромер расположены белковые структуры - кинетохоры, они являются местом прикрепления нитей веретена деления. Участки, на которые центромера делит хромосому, называются плечи, концы хромосомы - это теломеры.
Некоторые хромосомы имеют вторичные перетяжки (ядрышковые организаторы), они содержат гены, кодирующие рРНК. Часть хромосомы, отделенная вторичной перетяжкой, называется спутник или саттелит.
По положению центромеры хромосомы делятся на 3 вида (рис. 12):
1) метацентрические - хромосомы, которые имеют равные плечи;
2) субметацентрические - хромосомы с неравными плечами;
3) акроцентрические - хромосомы, у которых одно плечо практически отсутствует.
Геном человека – термин, используемый при описании всей генетической информации, закодированной в виде ДНК клеток человека. Клетка человека имеет два генома: сложный ядерный геном (хромосомная ДНК), содержащий более 99,9995 % всей генетической информации, и простой митохондриальный геном, в составе которого находится менее 0,0005 % ДНК. Ядерный геном распределён между 24-мя различными двуспиральными молекулами ДНК, которые в комплексе с различными гистоновыми и негистоновыми белками формируют хромосомы человека. С молекулярной точки зрения каждая хромосома клетки является сложно организованной структурой. Диплоидная клетка человека с интерфазным ядром при диаметре 5–10 мкм содержит около двух метров последовательностей молекул ДНК, которые образуют 23 пары хромосом. Гаплоидный геном человека, который характеризует половые клетки с хромосомами Х или Y, включает 23 различные хромосомы – 22 аутосомы и одну половую хромосому (гоносому) в зависимости от пола: Х – женский или Y – мужской пол. Индивидуальные хромосомы, как было сказано выше, различаются своими морфологическими характеристиками. В среднем, хромосома человека содержит около 130 млн пн, однако содержание ДНК в разных хромосомах варьирует от 40 до 260 млн пн.
Как уже сказано выше, данные о структуре, размерах и количестве митотических хромосом в клеточном ядре определяются как кариотип. Морфологическое строение хромосом на всех уровнях организации (молекулярном, микроскопическом и субмикроскопическом) определяется упаковкой нитей ДНК, организующих хромосому. На микроскопическом уровне нити ДНК формируют спирализованные хромонемы митотических хромосом. Упаковка хромонем по длине хромосом неравномерна. В них закономерно дифференцируются участки с резко выраженной и резко сниженной степенью спирализации хромонем. Последние формируют хромосомные перетяжки. Важным элементом структуры хромосом является первичная перетяжка, в участке которой расположена центромера. Она делит хромосому на два плеча – короткое (р) и длинное (q).
Структура хромосом претерпевает значительные изменения в ходе клеточного деления (клеточного цикла) и, следовательно, не является постоянной. Хромосомы интерфазных ядер (интерфазные хромосомы) в отличие от метафазных хромосом (см раздел, посвященный делению клетки) представляют собой более расправленные и диффузные клеточные структуры. Интерфазные хромосомы содержат одну хроматиду, в составе которой имеется одна двуспиральная молекула ДНК, в то время как метафазные хромосомы образованы двумя хроматидами и двумя молекулами ДНК. Хромосома, как функционирующая клеточная органелла, должна содержать минимум три типа последовательностей ДНК, формирующих её структурные компоненты: центромеру, теломеры и участок начала репликации ДНК.
Рис. 4. Организация ДНК
Рис. 5. Схематическое изображение метафазных хромосом:
1 – метацентрическая хромосома; 2 – субметацентрическая хромосома; 3 – акроцентрическая хромосома. Видны: а – центромеры; б – длинные плечи (q); в – короткие плечи (p); г – теломерные участки; д – спутники; е – спутничные нити
Другими структурными элементами хромосом являются теломеры. Это специализированные структуры, содержащие особые типы ДНК и белки, которые образуют концевые участки хромосом. Теломеры выполняют несколько функций:
1) поддержание структурной целостности хромосомы;
2) обеспечение полной репликации концевых участков хромосомы;
3) поддержание организации хромосом в интерфазном ядре.
Теломеры хромосом человека представляют собой повторы нуклеотидной последовательности ТТАГГГ, общий размер которой варьирует от 3 до 20 тысяч пн. Стабильность теломер поддерживается с помощью фермента теломеразы, нарушение функциональной активности которой приводит к нарушению структуры хромосом и, как следствие, к клеточной гибели. Укорочение последовательностей теломер, которому противодействует теломераза, связано с процессами старения и малигнизации.
ДНК хромосом реплицируется в ходе периода синтеза ДНК клеточного цикла. Каждая хромосома содержит множество элементарных единиц репликации – репликонов, представляющих собой участки автономной репликации. Каждый репликон имеет одну точку инициации репликации, с которой начинается двунаправленный синтез ДНК (см предыдущий раздел, посвященный синтезу ДНК). Размеры репликонов могут различаться друг от друга. Репликоны у человека могут иметь большие размеры, достигая более чем 1 млн пн.
Упаковка ДНК это термин, который определяет контролируемое уплотнение ДНК внутри клетки. Ни в одной клетке (и даже не в вирусах) ДНК свободна, слаба и в правильном решении.
ДНК - чрезвычайно длинная молекула, которая, кроме того, всегда взаимодействует с огромным разнообразием различных белков. Для обработки, наследования и контроля экспрессии генов, которые она несет, ДНК принимает определенную пространственную организацию. Это достигается тем, что клетка строго контролирует каждый этап упаковки ДНК на разных уровнях уплотнения.
Вирусы имеют разные стратегии упаковки для своих нуклеиновых кислот. Одним из фаворитов является формирование компактных спиралей. Можно сказать, что вирусы - это нуклеиновые кислоты, упакованные в белки, которые их покрывают, защищают и мобилизуют..
У прокариот ДНК связана с белками, которые определяют образование сложных петель в структуре, называемой нуклеоидом. Максимальным уровнем уплотнения ДНК в эукариотической клетке, с другой стороны, является митотическая или мейотическая хромосома.
Единственный случай, когда B-ДНК не упакована - это исследовательская лаборатория, которая преследует эту цель.
- 1 Структура ДНК
- 2 Бактериальный нуклеоид
- 3 Уровни уплотнения эукариотической хромосомы
- 3.1 Нуклеосома
- 3.2 Волокно 30 нм
- 3.3 Галстуки и повороты
Структура ДНК
![]()
ДНК образована двумя антипараллельными полосами, которые образуют двойную спираль. Каждый из них представляет собой скелет фосфодиэфирных связей, с которыми связываются сахара, связанные с азотистыми основаниями..
Внутри молекулы азотистые основания одной полосы образуют водородные связи (две или три) с дополнительной полосой.
В такой молекуле большинство важных углов связи показывают свободное вращение. Азотисто-сахарная, сахарофосфатная группа и фосфодиэфирные связи являются гибкими.
Это позволяет ДНК, рассматриваемой как гибкий стержень, демонстрировать некоторую способность изгибаться и сворачиваться. Эта гибкость позволяет ДНК принимать сложные локальные структуры и образовывать взаимодействия на коротких, средних и дальних расстояниях..
Эта гибкость также объясняет, как в каждой диплоидной клетке человека можно поддерживать 2 метра ДНК. В гамете (гаплоидной клетке) это будет метр ДНК.
Бактериальный нуклеоид
Хотя не является неразрушимым правилом, бактериальная хромосома существует в виде одной двухцепочечной молекулы ДНК двухцепочечной ДНК.
Двойная спираль больше крутится сама по себе (более 10 п.н. за оборот), создавая некоторое уплотнение. Местные узлы также генерируются благодаря манипуляциям, которые контролируются ферментами.
Кроме того, в ДНК есть последовательности, которые позволяют доменам образовывать большие петли. Мы называем структуру, полученную в результате суперреролламиента и упорядоченных петель, нуклеоидами..
Они претерпевают динамические изменения благодаря некоторым белкам, которые обеспечивают некоторую структурную стабильность уплотненной хромосоме. Степень уплотнения у бактерий и архей настолько эффективна, что на нуклеоид может приходиться более одной хромосомы.
Нуклеоид уплотняет прокариотическую ДНК не менее 1000 раз. Сама топологическая структура нуклеоида является фундаментальной частью регуляции генов, которые несет хромосома. То есть структура и функция составляют одну и ту же единицу.
Уровни уплотнения эукариотической хромосомы
![]()
ДНК в эукариотическом ядре не голая. Он взаимодействует со многими белками, наиболее важными из которых являются гистоны. Гистоны - это небольшие положительно заряженные белки, которые неспецифично связываются с ДНК..
В ядре мы наблюдаем комплекс ДНК: гистоны, которые мы называем хроматином. Высококонденсированный хроматин, который обычно не экспрессируется, представляет собой гетерохроматин. Напротив, наименее компактным (более слабым), или эухроматином, является хроматин с генами, которые экспрессируются.
Хроматин имеет несколько уровней уплотнения. Самым элементарным является нуклеосома; затем следуют соленоидное волокно и межфазные хроматиновые петли. Только когда хромосома разделена, максимальные уровни уплотнения показаны.
Нуклеосома
Нуклеосома является основной единицей организации хроматина. Каждая нуклеосома образована октамером гистонов, которые образуют своего рода барабан.
Октамер образован двумя копиями каждого из гистонов H2A, H2B, H3 и H4. Вокруг них ДНК дает почти 1,7 круга. За ним следует фракция свободной ДНК, называемая 20 pb-линкером, связанная с гистоном H1, а затем еще одна нуклеосома. Количество ДНК в нуклеосоме и той, которая соединяет ее с другой, составляет около 166 пар оснований..
Этот этап упаковки компактной ДНК в молекулу около 7 раз. То есть мы прошли от метра до чуть более 14 см ДНК.
Эта упаковка возможна потому, что положительные гистоны отменяют отрицательный заряд ДНК и последующий электростатический самоимпульс. Другая причина в том, что ДНК может изгибаться таким образом, чтобы она могла вращать октамер гистона..
Волокно 30 нм
Волокно шариков в ожерелье, которые образуют много последовательных нуклеосом, дополнительно свернуто в более компактную структуру.
Хотя мы не знаем, какую структуру он на самом деле принимает, мы знаем, что он достигает толщины около 30 нм. Это так называемое 30 нм волокно; гистон H1 необходим для его формирования и стабильности.
Волокно 30 нм является основной структурной единицей гетерохроматина. Это из слабых нуклеосом, что из эухроматина.
Галстуки и повороты
Однако 30 нм волокно не является полностью линейным. Напротив, он образует петли длиной около 300 нм, серпантиновым образом, на малоизвестной белковой матрице.
Эти петли на матрице белка образуют более компактное хроматиновое волокно диаметром 250 нм. Наконец, они выровнены в виде простой спирали толщиной 700 нм, дающей начало одной из сестринских хроматид митотической хромосомы..
В конце концов, ДНК в ядерном хроматине уплотняется около 10000 раз в хромосоме делящейся клетки. В межфазном ядре его уплотнение также велико, так как оно примерно в 1000 раз по сравнению с "линейной" ДНК.
Мейотическое уплотнение ДНК
![]()
Говорят, что в мире биологии развития гаметогенез сбрасывает эпигеном. То есть он стирает следы ДНК, которые были созданы или испытаны жизнью создателя гаметы..
Эти маркеры включают метилирование ДНК и ковалентные модификации гистонов (код для гистонов). Но не весь эпигеном сбрасывается. То, что остается с брендами, будет нести ответственность за отцовский или материнский генетический отпечаток.
Неявный возврат к гаметогенезу легче увидеть в сперме. В сперме ДНК не упакована гистонами. Поэтому информация, связанная с его модификациями в организме-производителе, как правило, не наследуется.
ДНК сперматозоидов упаковывается благодаря взаимодействию с неспецифическими ДНК-связывающими белками, называемыми протаминами. Эти белки образуют дисульфидные мостики друг с другом, помогая тем самым формировать наложенные слои ДНК, которые не отталкивают электростатически.
Наследственный материал клетки (НМК) состоит наполовину из ДНК и наполовину из белков. Большинство белков НМК относится к гистонам (щелочным белкам). Белки НМК участвуют в упаковке ДНК, а так же регулируют и осуществляют транскрипцию, репликацию и репарацию.
В состав генома человека входит около 3 миллиардов нуклеотидов, таким образом, в каждом клеточном ядре содержится ДНК длиной около метра. Чтобы поместиться в ядре, нить ДНК упаковывается.
Уровни компактизации ДНК
1. Нуклеосомный. Двойная цепочка ДНК наматывается на множество одинаковых белковых комплексов – кóров. Каждый кор состоит из 8 молекул белков-гистонов. Кор с намотанной на него (1,67 оборота) ДНК называется нуклеосома, участок свободной ДНК между нуклеосомами называется линкер.
2. Нуклеомерный. Это фибрилла, состоящая из нуклеомеров (сближенных нуклеосом) и одиночных нуклеосом.
3. Хромомерный. Нуклеомерная фибрилла формирует петли; каждая петля, возможно, содержит один ген. В таком виде наследственный материал находится в интерфазном ядре (состояние хроматина).
4. Хромонемный. Петли укладываются в стопки (хромонемы).
5. Хромосомный. Хромонемы сближаются, получаются плотные образования, хорошо видимые в световой микроскоп – хромосомы.
Читайте также:
