Τι είναι η συσκευασία του DNA; (Στα προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά)

Το Συσκευασία DNA είναι ένας όρος που ορίζει την ελεγχόμενη συμπίεση του DNA μέσα στο κύτταρο. Σε κανένα κύτταρο (και στην πραγματικότητα, ούτε καν σε ιούς) το DNA είναι ελεύθερο, χαλαρό και σε αληθινό διάλυμα.

Το DNA είναι ένα εξαιρετικά μακρύ μόριο που, επιπλέον, αλληλεπιδρά με μια μεγάλη ποικιλία διαφορετικών πρωτεϊνών. Για την επεξεργασία, την κληρονομιά και τον έλεγχο της έκφρασης των γονιδίων που φέρει, το DNA υιοθετεί μια συγκεκριμένη χωρική οργάνωση. Αυτό επιτυγχάνεται με το κύτταρο να ελέγχει αυστηρά κάθε στάδιο της συσκευασίας του DNA σε διαφορετικά επίπεδα συμπύκνωσης.

Οι ιοί έχουν διαφορετικές στρατηγικές συσκευασίας για τα νουκλεϊκά τους οξέα. Ένα από τα αγαπημένα είναι ο σχηματισμός συμπαγών σπειρών. Θα μπορούσε να ειπωθεί ότι οι ιοί είναι νουκλεϊνικά οξέα συσκευασμένα στις πρωτεΐνες που τους καλύπτουν, προστατεύουν και κινητοποιούν.

Στα προκαρυωτικά, το DNA συσχετίζεται με πρωτεΐνες που καθορίζουν το σχηματισμό πολύπλοκων βρόχων σε μια δομή που ονομάζεται νουκλεοειδές. Το μέγιστο επίπεδο συμπίεσης DNA σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο, από την άλλη πλευρά, είναι το μιτωτικό ή μειοτικό χρωμόσωμα.

Η μόνη περίπτωση κατά την οποία ένα Β-ΟΝΑ δεν είναι συσκευασμένο είναι ένα ερευνητικό εργαστήριο που επιδιώκει αυτόν τον σκοπό.

Ευρετήριο

• 1 Δομή του DNA
• 2 Το βακτηριακό νουκλεοειδές
• 3 Τα επίπεδα συμπύκνωσης του ευκαρυωτικού χρωμοσώματος
  • 3.1 Το νουκλεοσώματος
  • 3.2 Η ίνα των 30 nm
  • 3.3 Δεσμοί και στροφές
• 4 Συμπίεση μειοτικού DNA
• 5 Αναφορές

Δομή του DNA

Το DNA σχηματίζεται από δύο αντιπαράλληλες ζώνες που σχηματίζουν μια διπλή έλικα. Κάθε ένα από αυτά παρουσιάζει έναν σκελετό φωσφοδιεστερικών δεσμών στους οποίους δεσμεύονται τα σάκχαρα που συνδέονται με τις αζωτούχες βάσεις.

Μέσα στο μόριο, οι αζωτούχες βάσεις μιας ζώνης σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου (δύο ή τρεις) με τη συμπληρωματική ζώνη.

Σε ένα μόριο όπως αυτό, οι περισσότερες από τις σημαντικές γωνίες δεσμού δείχνουν ελεύθερη περιστροφή. Η ομάδα αζωτούχου σακχάρου, ζάχαρης-φωσφορικής και δεσμοί φωσφοδιεστέρα είναι ευέλικτη.

Αυτό επιτρέπει στο DNA, που θεωρείται ως μια εύκαμπτη ράβδος, να παρουσιάζει κάποια ικανότητα να κάμπτεται και να σπείρει. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει στο DNA να υιοθετεί πολύπλοκες τοπικές δομές και να σχηματίζει δεσμούς αλληλεπίδρασης σε κοντινή, μεσαία και μεγάλη απόσταση.

Αυτή η ευελιξία εξηγεί επίσης πως μπορούν να διατηρηθούν 2 μέτρα του DNA σε κάθε διπλοειδές κύτταρο ενός ανθρώπου. Σε ένα γαμέτα (απλοειδές κύτταρο), θα ήταν ένας μετρητής ϋΝΑ.

Το βακτηριακό νουκλεοειδές

Αν και δεν είναι ένας άθραυστος κανόνας, το βακτηριακό χρωμόσωμα υπάρχει ως μονό διπλόκλωνο ϋΝΑ μόριο DNA.

Η διπλή έλικα στρέφεται περισσότερο στον εαυτό της (πάνω από 10 bp ανά περιστροφή) δημιουργώντας έτσι κάποια συμπίεση. Οι τοπικοί κόμβοι δημιουργούνται επίσης χάρη σε χειρισμούς που ελέγχονται ενζυματικά.

Επιπλέον, υπάρχουν αλληλουχίες στο DNA που επιτρέπουν τη δημιουργία τομέων σε μεγάλους βρόχους. Ονομάζουμε τη δομή που προκύπτει από το supererollamiento και τις διαταγμένες βρόχους νουκλεοειδές.

Αυτά υποβάλλονται σε δυναμικές αλλαγές χάρη σε μερικές πρωτεΐνες που παρέχουν κάποια δομική σταθερότητα στο συμπαγές χρωμόσωμα. Ο βαθμός συμπύκνωσης στα βακτήρια και τα αρχαία είναι τόσο αποτελεσματικός ώστε μπορεί να υπάρχουν περισσότερα από ένα χρωμόσωμα ανά νουκλεοειδές.

Το νουκλεοειδές συμπυκνώνει το προκαρυωτικό DNA τουλάχιστον 1000 φορές. Η πολύ τοπολογική δομή του νουκλεοειδούς είναι ένα θεμελιώδες μέρος της ρύθμισης των γονιδίων που φέρει το χρωμόσωμα. Δηλαδή, η δομή και η λειτουργία αποτελούν την ίδια μονάδα.

Τα επίπεδα συμπύκνωσης του ευκαρυωτικού χρωμοσώματος

Το DNA στον ευκαρυωτικό πυρήνα δεν είναι γυμνό. Αλληλεπιδρά με πολλές πρωτεΐνες, οι σημαντικότερες από τις οποίες είναι οι ιστόνες. Οι ιστοόνες είναι μικρές, θετικά φορτισμένες πρωτεΐνες που συνδέονται με το DNA με μη συγκεκριμένο τρόπο.

Στον πυρήνα αυτό που παρατηρούμε είναι ένα σύμπλεγμα ϋΝΑ: ιστόνες, που ονομάζουμε χρωματίνη. Η ιδιαίτερα συμπυκνωμένη χρωματίνη, η οποία συνήθως δεν εκφράζεται, είναι ετεροχρωματίνη. Αντιθέτως, το λιγότερο συμπιεσμένο (χαλαρότερο) ή ευχρωματίνη είναι χρωματίνη με γονίδια που εκφράζονται.

Η χρωματοτίνη έχει πολλά επίπεδα συμπύκνωσης. Το πιο στοιχειώδες είναι αυτό του νουκλεοσώματος. ακολουθούμενη από βρόχους σωληνοειδών ινών και χρωματίνης ενδοφασικής. Μόνο όταν χωρίζεται ένα χρωμόσωμα είναι ότι εμφανίζονται τα μέγιστα επίπεδα συμπίεσης.

Το νουκλεοσώματος

Το νουκλεοσώματα είναι η βασική μονάδα της οργάνωσης της χρωματίνης. Κάθε νουκλεοσώματος σχηματίζεται από ένα οκταμερές ιστονών που αποτελούν ένα είδος τυμπάνου.

Το οκταμερές σχηματίζεται από δύο αντίγραφα καθεμίας από τις ιστόνες H2A, H2B, H3 και H4. Γύρω από αυτά, το DNA δίνει σχεδόν 1,7 γύρους. Ακολουθεί ένα κλάσμα ελεύθερου ϋΝΑ που ονομάζεται συνδετήρας 20 pb που σχετίζεται με την ιστόνη Η1 και στη συνέχεια ένα άλλο νουκλεοσώματος. Η ποσότητα του DNA σε ένα νουκλεοσώματος και εκείνη που συνδέεται με το άλλο είναι περίπου 166 ζεύγη βάσεων.

Αυτό το βήμα της συσκευασίας του συμπαγούς DNA στο μόριο περίπου 7 φορές. Δηλαδή, πήγαμε από ένα μέτρο σε λίγο πάνω από 14 εκ. DNA.

Αυτή η συσκευασία είναι δυνατή επειδή οι θετικές ιστόνες ακυρώνουν το αρνητικό φορτίο του DNA και την επακόλουθη ηλεκτροστατική αυτοπαρουσίαση. Ο άλλος λόγος είναι ότι το DNA μπορεί να λυγίσει με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να περιστρέψει το οκταμερές ιστόνης.

Ίνα των 30 nm

Η ίνα των σφαιριδίων σε ένα περιδέραιο που σχηματίζει πολλά διαδοχικά νουκλεοσώματα επιπλέον τυλίγεται σε μια πιο συμπαγή δομή.

Αν και δεν γνωρίζουμε ποια δομή πραγματικά υιοθετεί, γνωρίζουμε ότι φθάνει σε πάχος περίπου 30 nm. Αυτή είναι η λεγόμενη ίνα των 30 nm. η ιστόνη H1 είναι απαραίτητη για το σχηματισμό και τη σταθερότητά της.

Η ίνα των 30 nm είναι η βασική δομική μονάδα της ετεροχρωματίνης. Αυτό των χαλαρών νουκλεοσωμάτων, της ευχρωματίνης.

Δεσμοί και στροφές

Η ίνα των 30 nm, ωστόσο, δεν είναι εντελώς γραμμική. Αντιθέτως, σχηματίζει βρόχους μήκους περίπου 300 nm, οφιοειδούς τύπου, σε ένα ελάχιστα γνωστό πρωτεϊνικό πλέγμα.

Αυτοί οι βρόχοι σε μήτρα πρωτεΐνης σχηματίζουν μια πιο συμπαγή ίνα χρωματίνης διαμέτρου 250 nm. Τελικά, ευθυγραμμίζονται με τον τρόπο μιας απλής έλικας πάχους 700 nm που δημιουργεί ένα από τα αδελφά χρώματα ενός μιτωτικού χρωμοσώματος.

Στο τέλος, το DNA στην πυρηνική χρωματίνη συμπιέζεται περίπου 10.000 φορές στο χρωμόσωμα του διαχωριστικού κυττάρου. Στον ενδοφασικό πυρήνα η συμπίεσή του είναι επίσης υψηλή, καθώς είναι περίπου 1000 φορές σε σύγκριση με το "γραμμικό" DNA.

Μειοτική συμπύκνωση του DNA

Στον κόσμο της αναπτυξιακής βιολογίας, η γαμετογένεση λέγεται ότι επαναφέρει το επιγονόμετρο. Δηλαδή, σβήνει τα σημάδια DNA ότι η ζωή του δημιουργού του γαμετού παρήγαγε ή βίωσε.

Αυτοί οι δείκτες περιλαμβάνουν τη μεθυλίωση του DNA και τις ομοιοπολικές τροποποιήσεις των ιστονών (κώδικας Histone). Αλλά δεν επαναφέρεται όλος ο epigenome. Αυτό που παραμένει με τα εμπορικά σήματα θα είναι υπεύθυνο για το πατρικό ή μητρικό γενετικό αποτύπωμα.

Η σιωπηρή επαναφορά στη γαμετογένεση είναι πιο εύκολη στο σπέρμα. Στο σπέρμα, το DNA δεν είναι γεμάτο με ιστόνες. Συνεπώς, οι πληροφορίες που σχετίζονται με τις τροποποιήσεις του στον οργανισμό παραγωγού, γενικά, δεν κληρονομούνται.

Στο DNA του σπέρματος συσκευάζεται χάρη στην αλληλεπίδραση με μη ειδικές πρωτεΐνες δέσμευσης DNA που ονομάζονται πρωταμίνες. Αυτές οι πρωτεΐνες σχηματίζουν δισουλφιδικές γέφυρες μεταξύ τους, βοηθώντας έτσι να σχηματίσουν υπερτιθέμενα στρώματα DNA που δεν απωθούνται ηλεκτροστατικά.

Αναφορές

1. Alberts, Β, Johnson, Α D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, Μ, Roberts, Κ, Walter, Ρ (2014) Molecular Biology of the Cell (6η έκδοση). W. W. Norton & Company, Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη, ΗΠΑ.
2. Annunziato, Α. (2008) Συσκευασία DNA: Νουκλεοσώματα και χρωματίνη. Φύση Εκπαίδευση 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, R.J. (2017). Γενετική: Ανάλυση και Αρχές. McGraw-Hill Higher Education, Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη, ΗΠΑ.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, Α., Collado-Vides, J. (2009) Δομικός και λειτουργικός χάρτης ενός βακτηριακού νουκλεοειδούς. Genome Biology, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, Ρ. Α. Β. (2008) Διόγκωση της διπλής έλικας. Science 17: 446-449.
6. Travers, Α. (2004) Η δομική βάση της ευκαμψίας του DNA. Φιλοσοφικές Συναλλαγές της Βασιλικής Εταιρείας του Λονδίνου, Σειρά Α, 362: 1423-1438.
7. Travers, Α., Muskhelishvili, G. (2015) Δομή και λειτουργία DNA. FEBS Journal, 282: 2279-2295.