Соленоид (ДНК)
Соленоидная волокна длиной структура хроматина является моделью структуры 30 нм . Это вторичная структура хроматина, которая помогает упаковывать эукариот ДНК в ядро .
Фон
[ редактировать ]Хроматин был впервые обнаружен Вальтером Флеммингом при использовании анилиновых красителей для его окрашивания. впервые предположил, В 1974 году Роджер Корнберг что хроматин основан на повторяющейся единице октамера гистонов и примерно 200 пар оснований ДНК. [ 1 ]
Модель соленоида была впервые предложена Джоном Финчем и Аароном Клугом в 1976 году. Они использовали изображения электронной микроскопии и картины дифракции рентгеновских лучей, чтобы определить свою модель структуры. [ 2 ] Это была первая модель структуры волокна 30 нм, предложенная.
Структура
[ редактировать ]ДНК в ядре обернута вокруг нуклеосом , которые представляют собой октамеры гистонов, образованные из основных гистоновых белков; два димера гистонов H2A - H2B , два белка гистона H3 и два белка гистона H4 . Первичная структура хроматина, наименее упакованная форма, представляет собой форму размером 11 нм, или форму «бусинок на нити», где ДНК наматывается вокруг нуклеосом через относительно регулярные промежутки времени, как предположил Роджер Корнберг.
Белок гистона H1 связывается с местом, где ДНК входит в нуклеосому и выходит из нее, обертывая 147 пар оснований вокруг ядра гистона и стабилизируя нуклеосому. [ 3 ] эта структура является хроматосомой . [ 4 ] В соленоидной структуре нуклеосомы складываются и укладываются друг на друга, образуя спираль. Они соединены изогнутой линкерной ДНК, которая располагает последовательные нуклеосомы рядом друг с другом в спирали. Нуклеосомы расположены белками-гистонами H1, обращенными к центру, где они образуют полимер . [ 3 ] Финч и Клуг определили, что спиральная структура имеет только одну начальную точку, поскольку они в основном наблюдали небольшие питч- углы - 11 нм. [ 2 ] примерно такого же диаметра, как нуклеосома. В каждом витке спирали находится примерно 6 нуклеосом. [ 2 ] Финч и Клуг на самом деле наблюдали широкий спектр нуклеосом за ход, но они объяснили это уплощением. [ 2 ]
На изображениях электронной микроскопии Финча и Клуга не хватало видимых деталей, поэтому они не смогли определить другие параметры спирали, кроме шага. [ 2 ] Более поздние изображения электронной микроскопии позволили определить размеры соленоидных структур и идентифицировать их как левую спираль. [ 5 ] Структура соленоидов нечувствительна к изменению длины линкерной ДНК.
Функция
[ редактировать ]Самая очевидная функция соленоидной структуры — помочь упаковать ДНК так, чтобы она была достаточно маленькой, чтобы поместиться в ядро. Это большая задача, поскольку ядро клетки млекопитающего имеет диаметр около 6 мкм , тогда как ДНК в одной человеческой клетке растянулась бы чуть более чем на 2 метра в длину, если бы ее размотали. [ 6 ] Структура «бусинки на нитке» может сжимать ДНК в 7 раз меньше. [ 1 ] Соленоидная структура может увеличить это значение в 40 раз. [ 2 ]
Когда ДНК уплотнена в соленоидную структуру, она все еще может быть транскрипционно активной в определенных областях. [ 7 ] Именно вторичная структура хроматина важна для этой репрессии транскрипции, поскольку in vivo активные гены собираются в большие структуры третичного хроматина . [ 7 ]
Формирование
[ редактировать ]Существует множество факторов, влияющих на то, сформируется соленоидная структура или нет. Некоторые факторы изменяют структуру волокна диаметром 30 нм, а некоторые вообще препятствуют его образованию в этой области.
Концентрация ионов , особенно двухвалентных катионов, влияет на структуру волокна длиной 30 нм. [ 8 ] именно поэтому Финч и Клуг не смогли сформировать соленоидные структуры в присутствии хелатирующих агентов . [ 2 ]
На поверхности белков гистона H2A и гистона H2B имеется кислый участок, который взаимодействует с хвостами белков гистона H4 в соседних нуклеосомах. [ 9 ] Эти взаимодействия важны для формирования соленоида. [ 9 ] Варианты гистонов могут влиять на образование соленоида, например, H2A.Z — это вариант гистона H2A, и он имеет более кислый участок, чем участок H2A, поэтому H2A.Z будет иметь более сильное взаимодействие с хвостами гистона H4 и, вероятно, будет способствовать образованию соленоида. формирование. [ 9 ]
Хвост гистона H4 необходим для образования волокон длиной 30 нм. [ 9 ] Однако ацетилирование основных хвостов гистонов влияет на сворачивание хроматина путем дестабилизации взаимодействий между ДНК и нуклеосомами, что делает модуляцию гистонов ключевым фактором в структуре соленоида. [ 9 ] Ацетилирование H4K16 ( лизина , который является 16-й аминокислотой от N-конца гистона H4) ингибирует образование волокон длиной 30 нм. [ 10 ]
Для разуплотнения волокна длиной 30 нм, например, для его транскрипционной активации, необходимы как ацетилирование H4K16, так и удаление белков гистона H1. [ 11 ]
Дальнейшая упаковка
[ редактировать ]Хроматин может образовывать третичную структуру хроматина и уплотняться даже дальше, чем структура соленоида, образуя суперспирали диаметром около 700 нм. [ 12 ] Эта суперспираль образована областями ДНК, называемыми областями прикрепления каркаса/матрикса (SMAR), прикрепляющимися к центральному каркасному матриксу в ядре, создавая петли соленоидного хроматина длиной от 4,5 до 112 тысяч пар оснований. [ 12 ] Сама центральная матрица лесов имеет спиральную форму для дополнительного слоя уплотнения. [ 12 ]
Альтернативные модели
[ редактировать ]
Было предложено несколько других моделей, но в отношении структуры волокна длиной 30 нм до сих пор существует большая неопределенность.
Даже самые последние исследования дают противоречивую информацию. Существуют данные измерений с помощью электронной микроскопии размеров волокна диаметром 30 нм, которые имеют физические ограничения, что означает, что их можно смоделировать только с помощью однозаходной спиральной структуры, такой как структура соленоида. [ 5 ] Это также показывает, что нет линейной зависимости между длиной линкерной ДНК и размерами (вместо этого существуют два различных класса). [ 5 ] Есть также данные экспериментов по сшиванию нуклеосом, демонстрирующие двухстартовую структуру. [ 13 ] Есть данные, свидетельствующие о том, что в волокнах диаметром 30 нм присутствуют как соленоидная, так и зигзагообразная (двухзаходная) структуры. [ 14 ] Возможно, структура хроматина не так упорядочена, как считалось ранее. [ 15 ] или что 30-нм волокно может вообще отсутствовать на месте . [ 16 ]
Двухзаходная модель с витой лентой
[ редактировать ]Модель двухзаходной витой ленты была предложена в 1981 году Ворселем, Строгацем и Райли. [ 17 ] Эта структура включает в себя чередующуюся укладку нуклеосом с образованием двух параллельных спиралей, при этом линкерная ДНК движется зигзагом вверх и вниз по оси спирали.
Двухстартовая модель сшивающего агента
[ редактировать ]Модель двухстартового сшивателя была предложена в 1986 году Уильямсом и др . [ 18 ] Эта структура, как и модель двухзаходной витой ленты, включает в себя чередующуюся укладку нуклеосом с образованием двух параллельных спиралей, но нуклеосомы находятся на противоположных сторонах спиралей, а линкерная ДНК пересекает центр оси спирали.
Модель Супербус
[ редактировать ]Модель супербусинок была предложена Ренцем в 1977 году. [ 19 ] Эта структура не является спиральной, как другие модели, а состоит из дискретных глобулярных структур вдоль хроматина, которые различаются по размеру. [ 20 ]
Некоторые альтернативные формы упаковки ДНК
[ редактировать ]Хроматин сперматозоидов млекопитающих представляет собой наиболее конденсированную форму эукариотической ДНК, он упакован не нуклеосомами, а протаминами. [ 21 ] в то время как прокариоты упаковывают свою ДНК посредством сверхспирализации .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Корнберг, Р.Д. (24 мая 1974 г.). «Структура хроматина: повторяющаяся единица гистонов и ДНК». Наука . 184 (4139): 868–871. Бибкод : 1974Sci...184..868K . дои : 10.1126/science.184.4139.868 . ПМИД 4825889 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Финч, Джей Ти; Клюг, А. (июнь 1976 г.). «Соленоидальная модель суперструктуры хроматина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 73 (6): 1897–901. Бибкод : 1976PNAS...73.1897F . дои : 10.1073/pnas.73.6.1897 . ПМК 430414 . ПМИД 1064861 .
- ^ Jump up to: а б Тома, Ф.; Коллер, Т.; Клюг, А. (1 ноября 1979 г.). «Участие гистона H1 в организации нуклеосомы и солевых суперструктур хроматина» . Журнал клеточной биологии . 83 (2): 403–427. CiteSeerX 10.1.1.280.4231 . дои : 10.1083/jcb.83.2.403 . ПМК 2111545 . ПМИД 387806 .
- ^ Тропп, Бертон Э. (2012). Молекулярная биология, Глава 6: Структура хромосом (4-е изд.). Издательство Джонс и Бартлетт. стр. 210–252. ISBN 9780763786632 .
- ^ Jump up to: а б с Робинсон, ПиДжей; Фэйролл, Л.; Хюинь, НДС; Роудс, Д. (14 апреля 2006 г.). «ЭМ-измерения определяют размеры «30-нм» хроматинового волокна: свидетельства компактной, встречно-пальцевой структуры» . Труды Национальной академии наук . 103 (17): 6506–6511. Бибкод : 2006PNAS..103.6506R . дои : 10.1073/pnas.0601212103 . ПМЦ 1436021 . ПМИД 16617109 .
- ^ Уолтер, Питер; Робертс, Кейт; Рафф, Мартин; Льюис, Джулиан; Джонсон, Александр; Альбертс, Брюс (2002). Брюс Альбертс; Александр Джонсон; Джулиан Льюис; Мартин Рафф; Кейт Робертс; Питер Уолтер (ред.). Молекулярная биология клетки, Глава 4: ДНК и хромосомы, хромосомная ДНК и ее упаковка в хромосоме (4-е изд.). Гирляндная наука. ISBN 978-0-8153-3218-3 .
- ^ Jump up to: а б Чжоу, Цзяньшэн; Фан, Джун Ю; Рангасами, Дэнни; Треметик, Дэвид Дж. (28 октября 2007 г.). «Поверхность нуклеосомы регулирует уплотнение хроматина и сочетает его с репрессией транскрипции». Структурная и молекулярная биология природы . 14 (11): 1070–1076. дои : 10.1038/nsmb1323 . ПМИД 17965724 . S2CID 40546856 .
- ^ Уокер, PR; Сикорска, М.; Уитфилд, Дж. Ф. (25 мая 1986 г.). «Структура хроматина. Профили расщепления нуклеазой отражают промежуточные стадии сворачивания 30-нм волокна, а не существование шариков субъединиц» . Журнал биологической химии . 261 (15): 7044–7051. дои : 10.1016/S0021-9258(19)62719-5 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 3700426 .
- ^ Jump up to: а б с д и Ли, Гохун; Чжу, Пин (7 октября 2015 г.). «Строение и организация хроматиновых волокон в ядре» . Письма ФЭБС . 589 (20ЧастьА): 2893–2904. дои : 10.1016/j.febslet.2015.04.023 . ПМИД 25913782 .
- ^ Шогрен-Кнаак, М. (10 февраля 2006 г.). «Ацетилирование гистона H4-K16 контролирует структуру хроматина и белковые взаимодействия». Наука . 311 (5762): 844–847. Бибкод : 2006Sci...311..844S . дои : 10.1126/science.1124000 . ПМИД 16469925 . S2CID 11079405 .
- ^ Робинсон, Филип Джей-Джей; Ан, Уджин; Рут, Эндрю; Мартино, Фабрицио; Чепмен, Линда; Редер, Роберт Г.; Роудс, Даниэла (сентябрь 2008 г.). «Разрушение хроматиновых волокон на 30 нм требует как ацетилирования H4-K16, так и вытеснения линкерных гистонов» . Журнал молекулярной биологии . 381 (4): 816–825. дои : 10.1016/j.jmb.2008.04.050 . ПМЦ 3870898 . ПМИД 18653199 .
- ^ Jump up to: а б с Гриффитс, AJF; Миллер, Дж. Х.; Сузуки, DT; Левонтин, RC; Гелбарт, WM (2000). Введение в генетический анализ, Глава 3: Хромосомные основы наследственности, Трехмерная структура хромосом (7-е изд., 1-е печатное изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5 .
- ^ Дориго, Б. (26 ноября 2004 г.). «Нуклеосомные массивы раскрывают двухначальную организацию хроматинового волокна». Наука . 306 (5701): 1571–1573. Бибкод : 2004Sci...306.1571D . дои : 10.1126/science.1103124 . ПМИД 15567867 . S2CID 20869252 .
- ^ Григорьев С.А.; Арья, Г.; Коррелл, С.; Вудкок, CL; Шлик, Т. (27 июля 2009 г.). «Доказательства гетероморфных волокон хроматина на основе анализа нуклеосомных взаимодействий» . Труды Национальной академии наук . 106 (32): 13317–13322. Бибкод : 2009PNAS..10613317G . дои : 10.1073/pnas.0903280106 . ПМК 2726360 . ПМИД 19651606 .
- ^ Люгер, К.; Дешасса, МЛ; Треметик, диджей (22 июня 2012 г.). «Новое понимание структуры нуклеосомы и хроматина: упорядоченное состояние или неупорядоченное состояние?» . Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 13 (7): 436–447. дои : 10.1038/nrm3382 . ПМК 3408961 . ПМИД 22722606 .
- ^ Фасснер, Э.; Чинг, RW; Базетт-Джонс, ДП (январь 2011 г.). «Жизнь без 30-нм хроматиновых волокон». Тенденции биохимических наук . 36 (1): 1–6. дои : 10.1016/j.tibs.2010.09.002 . ПМИД 20926298 .
- ^ Ворсель, А.; Строгац, С.; Райли, Д. (2001). «Строение хроматина и число связей ДНК» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (3): 1461–5. arXiv : cond-mat/0007235 . Бибкод : 1981PNAS...78.1461W . дои : 10.1073/pnas.78.3.1461 . ПМК 319150 . ПМИД 6940168 .
- ^ Уильямс, СП; Эти, Б.Д.; Маглия, LJ; Шаппе, РС; Гоф, АХ; Лэнгмор, JP (январь 1986 г.). «Хроматиновые волокна представляют собой левые двойные спирали, диаметр и масса на единицу длины которых зависят от длины линкера» . Биофизический журнал . 49 (1): 233–48. Бибкод : 1986BpJ....49..233W . дои : 10.1016/S0006-3495(86)83637-2 . ПМЦ 1329627 . ПМИД 3955173 . .
- ^ Ренц, М.; Нельс, П.; Хозиер, Дж. (1 мая 1977 г.). «Участие гистона Н1 в организации хромосомного волокна» . Труды Национальной академии наук . 74 (5): 1879–1883. Бибкод : 1977PNAS...74.1879R . дои : 10.1073/pnas.74.5.1879 . ISSN 0027-8424 . ПМК 431035 . ПМИД 266711 .
- ^ Зентграф, Х. (1 июля 1984 г.). «Различия супрануклеосомной организации в разных видах хроматина: глобулярные субъединицы, специфичные для типа клеток, содержащие разное количество нуклеосом» . Журнал клеточной биологии . 99 (1): 272–286. дои : 10.1083/jcb.99.1.272 . ПМК 2275636 . ПМИД 6736129 .
- ^ Браун, Роберт Э. (1 мая 2001 г.). «Упаковка отцовских хромосом протамином» . Природная генетика . 28 (1): 10–12. дои : 10.1038/88194 . ПМИД 11326265 .