8.4: Гени та хроматин у еукаріотів
- Page ID
- 6204
Хромосоми і хроматин - це унікальна еукаріотична асоціація ДНК з більшою або меншою кількістю білка. Бактеріальна ДНК (і прокаріотична ДНК загалом) відносно «гола» - не помітно пов'язана з білком.
Електронна мікрофотографія міжфазної клітини (нижче) виявляє, що сам хроматин може існувати в різних станах конденсації.
Хроматин максимально конденсується під час мітозу, утворюючи хромосоми. Під час інтерфази хроматин існує в більш-менш конденсованих формах, званих гетерохроматином і евхроматином відповідно. Перехід між цими формами хроматину передбачає зміни кількості та типів білків, пов'язаних з хроматином, і може це статися під час регуляції генів, тобто при включенні або вимкненні генів. Активні гени, як правило, знаходяться в більш диспергованому еухроматині, так що ферменти реплікації та транскрипції мають більш легкий доступ до ДНК. Гени, які неактивні в транскрипції, гетерохроматичні, затемнені додатковими білками хроматину, присутніми в гетерохроматіні. Ми будемо дивитися на деякі експерименти, які демонструють це в наступному розділі.
Ми можемо визначити три рівні організації хроматину в загальних рисах:
1. ДНК, обгорнуті навколо гістонових білків, утворюють нуклеосоми в структурі «намистини на нитці».
2. Кілька нуклеосом котушки (конденсуються), утворюючи 30 нм волоконні (соленоїдні) структури.
3. Упаковка волокна 30 нм вищого порядку призводить до утворення метафазних хромосом, що спостерігаються при мітозі та мейозі.
Рівні структури хроматину визначали частково шляхом селективного виділення та екстракції міжфазного клітинного хроматину з подальшою селективною хімічною екстракцією компонентів хроматину. Кроки такі:
· Ядра спочатку виділяються з клітин.
· Ядерна оболонка м'яко розривається, щоб фізично не порушити структуру хроматину.
· хроматин може бути обережно витягнутий одним з декількох різних хімічних процедур (з високим вмістом солі, низьким вмістом солі, кислоти...).
Рівні структури хроматину проілюстровані нижче.
Екстракція солі дисоціює більшу частину білків від хроматину. Коли екстракт з низьким вмістом солі центрифугують і гранули повторно суспендують, що залишився хроматин виглядає як намистини на нитці. Нуклеосоми, обгорнуті ДНК - це кульки, які, в свою чергу, пов'язані рівномірними довжинами метафоричної ДНК «струнки' (№1 на ілюстрації вище). Екстракт хроматину з високим вмістом солі з'являється у вигляді котушки нуклеосом, або 30 нм електромагнітного волокна (№2 вище). Інші протоколи вилучення виявили інші аспекти структури хроматину, показані в #s 3 і 4 вище. Хромосоми, що спостерігаються в метафазі мітозу, є «найвищим порядком», найбільш конденсованою формою хроматину.
10 нм нитка нуклеосоми «намистин на струні», що залишилася після низької екстракції солі, можна побачити в електронному мікроскопі, як показано нижче.
Коли ці нуклеосомні намиста були перетравлені ферментом дезоксирибонуклеази (dNaSe), ДНК між «намистинами» деградувала, залишаючи після себе укорочені 10nm нитки після короткого періоду перетравлення, або просто поодинокі намистини намистини після більш тривалого травлення (нижче).
Роджер Корнберг (син Нобелівського лауреата Артура Корнберга, який відкрив перший ДНК-полімеразний фермент реплікації) брав участь у відкритті та характеристиці нуклеосом, поки він був ще постдоком! Електрофорез ДНК, витягнутої з цих дайджестів, виявив нуклеосоми, розділені «компонувальним» ділянкою ДНК приблизно 80 пар основ. ДНК, витягнута з нуклеосом, мала довжину близько 147 пар основ. Це ДНК, яка була обгорнута навколо білків нуклеосоми.
Після відділення всіх білків від нуклеосомальної ДНК було ідентифіковано п'ять білків (проілюстровано нижче).
Гістони - це основні білки, що містять багато амінокислот лізину і аргініну. Їх позитивно заряджені бічні ланцюги дозволяють цим амінокислотам зв'язувати кислотний, негативно заряджений фосфодіефір магістраль подвійної спіральної ДНК. ДНК обертається навколо октамера гістонів (по 2 кожного з 4 білків гістону), утворюючи нуклеосому. Близько грама гістонів пов'язано з кожним грамом ДНК. Після екстракції хроматину з високим вмістом солі структура, видима в електронному мікроскопі, - це соленоїд 30 нм, котушка нуклеосом, змодельована на малюнку нижче.
Як показано вище, просто збільшення концентрації солі вже витягнутого препарату нуклеосом призведе до того, що «намисто» згорнеться в соленоїдну структуру 30 нм.
173 Структура хроматину: Розсічення хроматину
Як ви могли здогадатися, кисла екстракція хроматину повинна вибірково видаляти основні гістонові білки, залишаючи після себе асоціацію ДНК з негістоновими білками. Це виявилося так. Електронна мікрофотографія залишку хроматину після кислотного вилучення метафазних хромосом показана на наступній сторінці.
ДНК, звільнена від регулярно розташованих нуклеосом на основі гістону, петлі, подалі від довгої осі хроматину. Темний матеріал уздовж цієї осі - це білкові ліси, які складають те, що залишилося після вилучення гістону. Значна частина цього білка - топоізомераза, фермент, який запобігає розщепленню ДНК під штамом реплікації.
