Chromatin ist eine Masse des genetischen Gewebes, das aus DNA und Proteinen besteht, die sich durch eukaryotische Mobileular-Abteilung zu Chromosomen verdichten. Chromatin wird im Zellkern unserer Zellen platziert.
Die primäre Funktion dieses aus DNA und Proteinen bestehenden Systems besteht darin, die DNA in eine kompakte Einheit zu komprimieren, die kleiner ist und in den Kern passt. Chromatin besteht aus Komplexen von kleinen Proteinen, die Histone und DNA genannt werden.
Histone helfen, DNS in die Systeme zu organisieren, die als nucleosomes bekannt sind und eine Basis anbieten, auf der DNS möglicherweise verwundet wird. Ein Nukleosom enthält eine DNA-Serie von etwa einhundertfünfzig Basenpaaren, die sich um ein hartes und schnelles 8-Histon wickeln, das als Octamer bekannt ist.
Was ist ein Chromatin?
Chromatin ist ein hoch organisierter Komplex aus DNA und Proteinen und ist einer der Hauptbestandteile des Zellkerns. Histonproteine helfen bei der Organisation der DNA in Struktureinheiten, die Nukleosomen genannt werden, die dann zu einer kompakten Struktur (Chromatin) und schließlich zu sehr großen, hochrangigen Strukturen (Chromosomen) zusammengesetzt werden. Die lokalisierte Zugänglichkeit von Chromatin wird weitgehend durch post-translationale Modifikationen von Histon- und DNA-Proteinen reguliert, die dramatische Auswirkungen auf die Regulation der Chromatinstruktur, die Bindung von Chromatin-modifizierenden Komplexen und die Regulation der Transkription haben.
Definition
Ist der Komplex aus genomischer DNA und assoziierten Proteinen im Zellkern. Diese bessere DNA-Form lässt Zellen ihre DNA verpacken, bietet ein Gerüst für die Mobileular-Abteilung und steuert die Genexpression. Die durch ein dynamisches Repertoire von Proteinen bestimmte Form wechselt zwischen kondensiertem Heterochromatin und verlängertem Euchromatin.
Chromatinstruktur
Chromatinstruktur
Histonproteine und DNS haben die gleiche Masse im eukaryotischen Chromatin (obgleich es auch Zellen mit Nicht-Histonproteinen gibt). Das Nukleosom ist die Struktureinheit von Chromatin, das wiederum aus DNA und Proteinen (Histonen oder Nicht-Histonen) besteht. Diese Struktur wiederholt sich im gesamten Erbgut eines Organismus. Die Struktur dieser aus DNA und Proteinen zusammengesetzten Packung in der Struktur höherer Ordnung wird unten gezeigt.
Funktion von Chromatin
Zunächst galt Chromatin als die Substanz, die dem Zellkern seine Farbe verleiht. Später wurde entdeckt, dass es nicht nur eine färbende Substanz ist, sondern einer der wichtigsten Regulatoren der DNA-Expression. Die Struktur des Chromatins spielt auch bei der DNA-Replikation eine wichtige Rolle. Die Montage von DNS in Chromatin und in das Nukleosom ergibt eine hermetisch verschlossene Zelle, die nicht zu den Enzymen zugänglich ist, die für DNS-Übertragung, -Wiederholung und -Reparatur verantwortlich sind.
Die Verpackung der DNA-Struktur ist transkriptionell repressiv und erlaubt nur eine basale Genexpression. Sind nukleosomale Strukturen offen oder gestört, kann die DNA leichter repliziert und transkribiert werden.
Während des Transkriptionsprozesses wird die Struktur dieser aus DNA und Proteinen bestehenden Struktur durch bestimmte Repressoren und Aktivatoren verändert, die mit RNA interagieren, um die Genaktivität zu regulieren. Die Aktivatoren ändern die Struktur des Nukleosoms und regen die Versammlung der RNS-Polymerase an. Während der Replikation tritt eine ähnliche Regulation der Chromatinstruktur auf, so dass die Replikationsmaschinerie am Ursprung der Replikation vorhanden ist.
Chromatin spielt auch eine Rolle bei der Regulierung der Genexpression. Durch die Technik der positionellen Variegation können Gene transkriptionell inaktiv werden, indem sie in der Nähe des stillen Chromatin-Heterochromatins gesetzt werden. Der Abstand zwischen lautlosem Heterochromatin und Genen kann bis zu 1000 Kilobasenpaare betragen. Dieses Phänomen wird Epigenetik genannt, weil es Variationen im Phänotyp produziert.
Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass die in hohem Grade kondensierte Natur des Heterochromatins DNS-Übertragung verhindert. Es ist jedoch immer noch nicht ganz klar, wie benachbarte nicht-heterochromatische Regionen betroffen sind. Die Forscher fanden heraus, dass Proteine in benachbarte Regionen diffundieren können, um einen ähnlichen repressiven Effekt zu erzeugen. Die Forscher schlugen auch vor, dass Kompartimente des Kerns, die nicht für Übertragungsfaktoren zugänglich sind, möglicherweise Heterochromatin enthalten. Daher ist Chromatin im Zellkern möglicherweise nicht direkt für Transkriptionsfaktoren zugänglich.
Die Struktur des Chromatins beeinflusst die DNA-Replikation. Zum Beispiel replizieren sich Euchromatin und andere aktive Bereiche des Genoms früher. Ebenso ist der Replikationsprozess im Heterochromatin und in der umgebenden Ruhezone langsam. Weitere entscheidende Merkmale dieser aus DNA und Proteinen zusammengesetzten Struktur sind im Folgenden definiert.
DNA-Verpackung
Die wichtigste Funktion von Chromatin besteht darin, lange DNA-Stränge in einen viel kleineren Raum zu packen. Die lineare Länge der DNA ist sehr wichtig in Bezug auf ihre Lage. Um zusammenzupassen, ohne sich zu verheddern oder zu beschädigen, muss die DNA mit einer Methode verdichtet werden. Die Verdichtung von DNA im Zellkern wird als Kondensation bezeichnet. Der Grad der Kondensation von DNA innerhalb eines Körpers wird als Packungsverhältnis bezeichnet. Das Packungsverhältnis von DNS ist ungefähr 7000. Wegen dieses hohen Packungsverhältnisses wird DNS nicht direkt in der Chromatinstruktur eingebettet. Stattdessen gibt es verschiedene Hierarchien der Organisation.
Die Anfangsverpackung wird erreicht, indem man die DNS um das Nukleosom umwickelt. Diese Verpackung ist das gleiche für Heterochromatin und euchromatin. Die zweite Verpackungsebene wird durch Einwickeln der Kügelchen in eine 30 nm Faser erreicht, die auch in mitotischen Chromosomen und Interphase-Chromatin vorkommt. Diese Verpackung erhöht das Packungsverhältnis von 6 auf 40. Die dritte Verdichtungsstufe wird erreicht, indem die Faser in Ringe, Domänen und Gerüste gewickelt wird. Diese Endwicklung erhöht das Packungsverhältnis auf 10.000 in den mitotischen Chromosomen und auf 1.000 im Interphase-Chromatin.
Chromatin-Immunpräzipitation
Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) ist eine leistungsstarke Technik, um die in vivo Verteilung von Proteinen, die mit chromosomaler DNA assoziiert sind, zu kartieren. Diese Proteine können Histon-Untereinheiten und post-translationale Modifikationen oder andere Chromatin-assoziierte Proteine wie Transkriptionsfaktoren, Chromatinregulatoren usw. sein. Darüber hinaus kann ChIP verwendet werden, um Regionen des Genoms zu identifizieren, die mit diesen Proteinen verbunden sind, oder Umgekehrt, um Proteine zu identifizieren, die mit einer bestimmten Region des Genoms verbunden sind. ChIP-Methodik beinhaltet oft Protein-DNA- und Protein-Protein-Vernetzung, Fragmentierung des vernetzten Chromatins und anschließende Immunpräzipitation des Chromatins mit einem für ein Zielprotein spezifischen Antikörper. Isolierte DNA-Fragmente im Komplex mit dem Zielprotein können durch verschiedene Methoden, einschließlich PCR, Microarrays und DNA-Sequenzierung identifiziert werden.
Chromosomen
Chromosomen werden während der Metaphase weiter komprimiert. Bei der Zellteilung in eukaryotischen Zellen muss die DNA gleichmäßig in zwei Tochterzellen aufgeteilt werden. Während dieser Phase wird die DNA stark komprimiert und sobald die Zelle mit der Teilung fertig ist, zieht sich das Chromosom zurück. Vergleicht man die Länge der Metaphase-Chromosomen mit der der linearen DNA, kann das Packungsverhältnis bis zu 10.000:1 betragen. Dieses hohe Packungsniveau wird durch die Phosphorylierung von Histon H1 erreicht.
Quelle
- Comings D E. The structure and function of chromatin [M]. Advances in human genetics
- Brenner’s Encyclopedia of Genetics
- Chromatin accessibility: a window into the genome