Хроматин — chromatin

Эухроматин у прокариот и некоторых эукариот

Хотя прокариоты имеют другой механизм конденсации ДНК, его упакованная структура напоминает структуру эухроматина. Поэтому считается, что гетерохроматин – плотно упакованный хроматин – развился позже, возможно, вместе с ядром, чтобы регулировать экспрессию генов и управлять большими количествами – длинными нитями – генетического материала.

В то время как ДНК в большинстве эукариотических клеток упакована, как описано, есть некоторые другие эукариоты, которые не соответствуют этой организации. Среди них красный птичий кровь клетки и подвижные сперматозоиды (сперматозоиды), которые содержат хроматин в более плотно упакованных конформациях, чем большинство эукариот.

Структурные и функциональные компоненты хроматина

С целью определить, что такое хроматин на биохимическом уровне, ученые экстрагировали это вещество из клеток, переводили в раствор и в таком виде изучали компонентный состав и структуру. При этом использовались как химические, так и физические методы, включая технологии электронной микроскопии. Выяснилось, что химический состав хроматина на 40% представлен длинными молекулами ДНК и почти на 60% – различными белками. Последние подразделяются на две группы: гистоны и негистоновые.

Гистонами называют большое семейство основных ядерных белков, которые прочно связываются с ДНК, формируя структурный скелет хроматина. Их количество примерно равно процентному содержанию генетических молекул.

Остальная часть (до 20%) протеиновой фракции приходится на ДНК-связывающие и пространственно-модифицирующие белки, а также ферменты, принимающие участие в процессах считывания и копирования генетической информации.

Помимо основных элементов, в составе хроматина в небольшом количестве обнаруживаются рибонуклеиновые кислоты (РНК), гликопротеиды, углеводы и липиды, однако вопрос об их ассоциации с ДНК-упаковочным комплексом до сих пор открыт.

Внешние ссылки [ править ]

• Хроматин, гистоны и катепсин ; PMAP Карта протеолиза — анимация
• Протокол сборки хроматина in vitro
• ENCODE нити Explorer Chromatin patterns в сайтах связывания факторов транскрипции. Природа (журнал)

Картирование областей открытого хроматина

Для картирования областей открытого хроматина используют методы ДНКазной чувствительности (англ. DNase I hypersensitive) и изоляции регуляторных элементов с помощью формальдегида англ. formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements (FAIRE). Метод ДНКазной чувствительности не позволяет определить, каким именно регуляторным участком является данная область открытого хроматина.

Ранее анализ результатов метода ДНКазной чувствительности проводился с помощью саузерн-блот гибридизации (англ. Southern blot). Это не позволяло проводить анализ большого количества сайтов, а также находить новые сайты гиперчувствительности. Анализ ДНКазной чувствительности можно проводить также с помощью ПЦР в реальном времени (количественной ПЦР). Это значительно проще, чем саузерн-блот гибридизация, но этот метод также имеет ограничение по количеству сайтов для анализа и не может быть использован для полногеномного исследования распределения сайтов чувствительности к ДНКазе I.

Развитие методов высокоэффективного секвенирования (англ. High-throughput sequencing) и ДНК-микрочипов (англ. DNA-microarray) позволяет картировать области открытого хроматина на всем протяжении генома. Кроме того, сочетание метода ДНКазной чувствительности с методом иммунопреципитации (англ. Chromatin immunoprecipitation (ChIP)) с последующим высокоэффективным секвенированием позволяет получать больше информации о связывании конкретных транскрипционных факторов с активными участками хроматина.

Другой способ картирования областей открытого хроматина — проведение иммунопреципитации хроматина (англ. ChIP) на антитела к гистонам. При этом области открытого хроматина должны быть мало представлены, так как с ними не связаны нуклеосомы. Метод ДНКазной чувствительности и иммунопреципитация гистонов дают сходные результаты.

Хроматин и всплески транскрипции

Хроматин и его взаимодействие с ферментами были исследованы, и был сделан вывод, что он является важным фактором экспрессии генов. Винсент Г. Олфри, профессор Университета Рокфеллера, заявил, что синтез РНК связан с ацетилированием гистонов. Аминокислота лизин, прикрепленная к концам гистонов, заряжена положительно. Ацетилирование этих хвостов сделает концы хроматина нейтральными, что обеспечит доступ ДНК.

Когда хроматин деконденсируется, ДНК открыта для проникновения молекулярных механизмов. Колебания между открытым и закрытым хроматином могут способствовать прерыванию транскрипции или транскрипционный разрыв. Вероятно, вовлечены и другие факторы, такие как ассоциация и диссоциация комплексов факторов транскрипции с хроматином. Этот феномен, в отличие от простых вероятностных моделей транскрипции, может объяснить высокую вариабельность экспрессии генов, происходящую между клетками в изогенных популяциях.

Альтернативные организации хроматина

Во время многоклеточного спермиогенез, то сперматидаХроматин трансформируется в более разнесенную, расширенную, почти кристаллическую структуру. Этот процесс связан с прекращением транскрипция и включает ядерный белковый обмен. Гистоны в основном смещены и заменены протамины (маленький, аргинин-богатые белки). Предполагается, что у дрожжей области, лишенные гистонов, становятся очень хрупкими после транскрипции; HMO1, an HMG-коробка белок, помогает в стабилизации хроматина без нуклеосом.

Негистоновые белки

Существует несколько сотен разновидностей негистоновых белков с различными свойствами и функциями. Их молекулярная масса варьирует от 5 до 200 кДа. Особую группу составляют сайт-специфические белки, каждый из которых комплементарен определенному участку ДНК. В эту группу входят 2 семейства:

• «цинковые пальцы» – узнают фрагменты длиной в 5 нуклеотидных пар;
• гомодимеры – характеризуются структурой «спираль-поворот-спираль» во фрагменте, связанном с ДНК.

Лучше всего изучены так называемые белки высокой подвижности (HGM-белки), постоянно ассоциированые с хроматином. Такое наименование семейство получило из-за высокой скорости перемещения белковых молекул в электрофорезном геле. Эта группа занимает большую часть негистоновой фракции и включает в себя четыре основных типа HGM-белков: HGM-1, HGM-14, HGM-17 и HMO-2. Они выполняют структурную и регуляторную функции.

К негистоновым белкам относят также ферменты, обеспечивающие транскрипцию (процесс синтеза матричной РНК), репликацию (удвоение ДНК) и репарацию (устранение повреждений в генетической молекуле).

Функциональные особенности эухроматина

Подобный вид хроматина рабочий и функционально активен. Не обладает свойством окрашивания и не определяется при гистологических исследованиях. В фазе митоза эухроматин практически весь конденсируется и становится составляющей частью хромосомы. Синтетические функции в этот период хромосомы не выполняют. Поэтому клеточные хромосомы могут находиться в двух функционально-структурных состояниях:

1. Активное или рабочее состояние. В это время хромосомы почти полностью или полностью деконденсированы. Они участвуют в процессе транскрипции и редупликации. Все перечисленные процессы происходят непосредственно в ядре клетки.
2. Неактивное состояние метаболического покоя (нерабочее). В этом состоянии хромосомы по максимуму конденсированы и служат транспортом для переноса генетического материала в дочерние клетки. В этом состоянии генетический материал еще и распределяется.

В завершающей фазе митоза происходит деспирализация и образуются слабоокрашенные структуры в виде нитей, содержащие транскрибируемые гены.

В структуре каждой хромосомы свой, уникальный, вариант расположения хроматина: эухроматина и гетерохроматина. Эта особенность клеток позволяет цитогенетикам идентифицировать отдельные хромосомы.

Хроматин: альтернативные определения

Термин, введенный Вальтером Флеммингом , имеет несколько значений:

1. Простое и краткое определение: хроматин — это макромолекулярный комплекс макромолекулы ДНК и макромолекул белка (и РНК). Белки упаковывают и упорядочивают ДНК и контролируют ее функции в ядре клетки.
2. Оперативное определение биохимиков: Хроматин — это комплекс ДНК / белок / РНК, извлеченный из лизированных межфазных ядер эукариот. Какое из множества веществ, присутствующих в ядре, будет составлять часть извлеченного материала, частично зависит от метода, который использует каждый исследователь. Кроме того, состав и свойства хроматина варьируются от одного типа клеток к другому, во время развития определенного типа клеток и на разных стадиях клеточного цикла.
3. Определение ДНК + гистон = хроматин : двойная спираль ДНК в ядре клетки упакована специальными белками, называемыми гистонами. Образованный комплекс белок / ДНК называется хроматином. Основная структурная единица хроматина — нуклеосома.

Первое определение позволяет определять «хроматины» в других областях жизни, таких как бактерии и археи, с использованием любых ДНК-связывающих белков, которые конденсируют молекулу . Эти белки обычно относят к (NAP); примеры включают AsnC / LrpC с HU. Кроме того, некоторые археи действительно производят нуклеосомы из белков, гомологичных эукариотическим гистонам.

Два типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный

Структура гетерохроматина может быть описана более подробно с учетом его нескольких типов. Двумя основными типами являются конститутивный гетерохроматин и факультативный гетерохроматин. Эти два типа можно различить в зависимости от их особенностей. Предполагается, что существуют также другие типы гетерохроматина и что эти другие типы имеют смешанные признаки конститутивного и факультативного гетерохроматина.

Конститутивный гетерохроматин является стабильной формой гетерохроматина, то есть он не разрыхляется до образования эухроматина и содержит повторяющиеся последовательности ДНК, называемые сателлитной ДНК. Он может быть обнаружен в центромерах и теломерах и обычно участвует в структурных функциях.

Факультативный гетерохроматин, с другой стороны, является обратимым, то есть его структура может изменяться в зависимости от клеточный цикл и характеризуется другим видом повторяющихся последовательностей ДНК, известных как последовательности LINE. Пример факультативного гетерохроматина, который изменяет свою структурную конформацию с клетка цикл инактивированный X-хромосома (Барр тело ) женщин.

Гены-регуляторы и состав хроматина

В концепции регуляции генной активности, созданной французскими генетиками Жакобом и Моно, дается представление о существовании участков дезоксирибонуклеиновой кислоты, в которых нет информации о структурах белков. Они выполняют чисто бюрократические – управленческие функции. Называясь генами-регуляторами, эти части хромосом, как правило, в своей структуре лишены белков-гистонов. Хроматин, определение которого было проведено методом секвенирования, получил название открытого.

В ходе дальнейших исследований было установлено, что в этих локусах расположены последовательности нуклеотидов, препятствующие присоединению к молекулам ДНК белковых частиц. Такие участки содержат регуляторные гены: промоторы, эхансеры, активаторы. Компактизация хроматина в них высока, а длина этих участков в среднем составляет около 300 нм. Существует биохимический метод определения открытого хроматина в изолированных ядрах, при котором используют фермент ДНК-азу. Он очень быстро расщепляет локусы хромосом, лишенные белков-гистонов. Хроматин в этих участках был назван сверхчувствительным.

Методы исследования хроматина [ править ]

1. ChIP-seq (последовательность иммунопреципитации хроматина), направленная против различных модификаций гистонов , может использоваться для идентификации состояний хроматина по всему геному. Различные модификации были связаны с различными состояниями хроматина.
2. DNase-seq (секвенирование гиперчувствительных участков ДНКазы I) использует чувствительность доступных участков генома кферменту ДНКазе I для картирования открытых или доступных участков в геноме.
3. FAIRE-seq (секвенирование регуляторных элементов с помощью формальдегида) использует химические свойства связанной с белком ДНК в методе двухфазного разделения для извлечения из генома областей, лишенных нуклеосом.
4. ATAC-seq (анализ секвенирования транспозиционного доступного хроматина) использует транспозазу Tn5 для интеграции (синтетических) транспозонов в доступные области генома, что, следовательно, подчеркивает локализацию нуклеосом и факторов транскрипции по всему геному.
5. ДНК-следы — это метод, направленный на идентификацию ДНК, связанной с белками. Он использует маркировку и фрагментацию в сочетании с гель-электрофорезом для идентификации областей генома, которые были связаны белками.
6. MNase-seq (Секвенирование микрококковой нуклеазы ) использует фермент микрококковой нуклеазы для определения положения нуклеосом по всему геному.
7. Захват конформации хромосомы определяет пространственную организацию хроматина в ядре, предполагая геномные местоположения, которые физически взаимодействуют.
8. Профилирование MACC (профилирование доступности микрококковой нуклеазы ) использует серии титрований перевариваемых хроматином с помощью микрококковой нуклеазы для определения доступности хроматина, а также для картирования нуклеосом и негистоновых ДНК-связывающих белков как в открытых, так и в закрытых областях генома.

Восстановление хроматина и ДНК

Упаковка эукариотической ДНК в хроматин представляет собой барьер для всех основанных на ДНК процессов, которые требуют привлечения ферментов к участкам их действия. Чтобы разрешить критический клеточный процесс репарации ДНК, хроматин должен быть реконструирован. У эукариот АТФ-зависимые комплексы ремоделирования хроматина и модифицирующие гистоны ферменты являются двумя преобладающими факторами, используемыми для осуществления этого процесса ремоделирования.

Релаксация хроматина происходит быстро в месте повреждения ДНК. Этот процесс инициируется белком PARP1, который начинает появляться при повреждении ДНК менее чем за секунду, с половинным максимальным накоплением в течение 1,6 секунды после повреждения. Затем ремоделирующий хроматин Alc1 быстро прикрепляется к продукту PARP1 и завершает прибытие к повреждению ДНК в течение 10 секунд после повреждения. Примерно половина максимальной релаксации хроматина, предположительно из-за действия Alc1, происходит через 10 секунд. Затем это позволяет задействовать фермент репарации ДНК MRE11 , чтобы инициировать репарацию ДНК в течение 13 секунд.

γH2AX, фосфорилированная форма H2AX , также участвует в ранних стадиях, ведущих к деконденсации хроматина после возникновения повреждения ДНК. Вариант гистона H2AX составляет около 10% гистонов H2A в хроматине человека. γH2AX (H2AX, фосфорилированный по серину 139) может быть обнаружен уже через 20 секунд после облучения клеток (с образованием двухцепочечного разрыва ДНК), а половина максимального накопления γH2AX происходит за одну минуту. Размер хроматина с фосфорилированным γH2AX составляет около двух миллионов пар оснований в месте двухцепочечного разрыва ДНК. Сам по себе γH2AX не вызывает деконденсацию хроматина, но в течение 30 секунд после облучения белок RNF8 может быть обнаружен в ассоциации с γH2AX. RNF8 опосредует обширную деконденсацию хроматина через его последующее взаимодействие с CHD4 , компонентом ремоделирования нуклеосом и деацетилазного комплекса NuRD .

После релаксации после повреждения ДНК с последующей репарацией ДНК хроматин восстанавливается до состояния уплотнения, близкого к уровню до повреждения, примерно через 20 мин.

Хроматин, хромосома и хроматида

У людей часто возникают проблемы с различием терминов: хроматин, хромосома и хроматида. Хотя все три структуры состоят из ДНК и находятся внутри ядра, каждый из них определяется отдельно.

Хроматин состоит из ДНК и гистонов, которые упакованы в тонкие волокна. Эти волокна хроматина не конденсируются, но могут существовать либо в компактной форме (гетерохроматин), либо менее компактной форме (эухроматин). Процессы, включая репликацию ДНК, транскрипцию и рекомбинацию, встречаются в эухроматине. При делении клеток хроматин конденсируется с образованием хромосом.

Хромосомы представляют собой одноцепочечные структуры конденсированного хроматина. Во время процессов деления клеток через митоз и мейоз, хромосомы реплицируются, чтобы гарантировать, что каждая новая дочерняя клетка получает правильное количество хромосом. Дублицированная хромосома является двухцепочечной и имеет привычную форму X. Две нити идентичны и связаны в центральной области, называемой центромером.

Хроматидой является одна из двух нитей реплицированных хромосом. Хроматиды, соединенные центромером, называются сестринскими хроматидами. В конце клеточного деления сестринские хроматиды отделяются от дочерних хромосом в новообразованных дочерних клетках.

Нобелевские премии

Следующие ученые были отмечены Нобелевскими премиями за их вклад в исследования хроматина :

Необходимо запомнить

ВАЖНО!

В основе любого вида размножения лежит деление клеток. Продолжительность жизни многоклеточного организма превышает время жизни большинства составляющих его клеток. Все клетки многоклеточных организмов должны делиться, чтобы заменять погибающие клетки. Все новые клетки возникают путём деления из уже существующих клеток.

Митоз – основной способ деления клеток.Митоз (от греческого mitos – нить) – непрямое деление клетки. Он обеспечивает равномерную передачу наследственной информации материнской клетки двум дочерним. Именно благодаря этому виду клеточного деления образуются практически все клетки многоклеточного организма.

Митотический (клеточный) цикл состоит из подготовительной стадии интерфазы и собственно деления – митоза(фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза).

Характеристика митоза

Интерфаза – процесс подготовки клетки к делению,  имеет 3 периода.

Пресинтетический период, период до удвоения хромосом, (G1 от англ. Gar – интервал), 2n2с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка интенсивно растёт, в ней синтезируется РНК и различные белки, увеличивается число рибосом, митохондрий.

Синтетический период, период удвоения хромосом, (S – фаза), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Происходит удвоение хромосом, в основе которого лежит процесс репликации ДНК, в результате каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Постсинтетический период, период после удвоения хромосом, (G2), 2n4с (n – число хромосом, c – количество ДНК). Клетка готовится к делению, синтезируются белки, из которых будет сформировано веретено деления, запасается энергия в виде АТФ.

Профаза (2n4с). В результате спирализации хромосомы уплотняются, укорачиваются. Формируется веретено деления, ядерная оболочка исчезает, и хромосомы свободно располагаются в цитоплазме. К центромерам присоединяются нити веретена деления.

Хромосомы начинают передвигаться к экватору клетки. Метафаза (2n4с). Хромосомы выстраиваются в плоскости экватора, образуя так называемую метафазную пластинку.

Анафаза (4n4с). Начинается с деления центромер всех хромосом, в результате чего хроматиды превращаются в две совершенно обособленные, самостоятельные дочерние хромосомы. Затем дочерние хромосомы начинают расходиться к полюсам клетки.

Телофаза (2n2с). Хромосомы концентрируются на полюсах клетки и деспирализуются. Веретено деления разрушается. Вокруг хромосом формируется оболочка ядер дочерних клеток, затем происходит деление цитоплазмы клетки.

Цитокинез -– деление цитоплазмы. Кариокинез – деление ядра.

Биологическое значение митоза

Митоз обеспечивает постоянство числа хромосом во всех клетках организма. В процессе митоза происходит распределение ДНК хромосом материнской клетки строго поровну между возникающими из неё двумя дочерними клетками.

Мейоз

Два последовательно сменяющих друг друга деления. Между двумя делениями – короткая интерфаза, во время которой не происходит удвоения ДНК. В результате мейоза из одной диплоидной клетки образуются четыре гаплоидные. Образуются четыре гаплоидные клетки.

Биологическое значение мейоза

Является механизмом образования гамет животных и спор высших растений. Обеспечивает постоянство кариотипа и вида при половом размножении. Обеспечивает генетическое разнообразие.

Оплодотворение –  процесс слияния яйцеклетки и сперматозоида. Процесс оплодотворения состоит из нескольких этапов:

1.                 Проникновение сперматозоида в яйцеклетку.

2.                 Слияние гаплоидных ядер обеих гамет, в результате чего образуется зигота (диплоидная клетка).

3.                 Активация зиготы к дроблению и дальнейшему развитию.

Жизненный цикл клетки

Промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до её гибели или до следующего деления представляет собой жизненный цикл клетки. В это время клетка растёт, специализируется и выполняет свои функции в составе ткани и органов.