Το πακετάρισμα του DNA στον πυρήνα του ευκαρυωτικού κυττάρου

27 Jul

Τα ανθρώπινα σωματικά κύτταρα είναι διπλοειδή, δηλαδή στον πυρήνα τους έχουν 23 ζεύγη ομόλογων χρωμοσωμάτων, το συνολικό μήκος του DNA των οποίων σε ένα κύτταρο είναι 6*10ζβ. Κάθε ζβ έχει μήκος περίπου 3,4 nm. Για αυτούς τους λόγους, κάθε διπλοειδές κύτταρο περιέχει περίπου 2 μέτρα DNA [(0.34 × 10-9) × (6 × 109) m, αφού 1 nm=10-9 m]. Επίσης, έχει υπολογιστεί ότι το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από 50 τρισεκατομμύρια κύτταρα, επομένως κάθε άνθρωπος περιέχει συνολικά στα κύτταρά του 100 τρισεκατομμύρια μέτρα DNA. Αν αναλογιστούμε ότι ο Ήλιος απέχει από τη Γη 150 δισεκατομμύρια μέτρα, τότε το DNA καθενός ανθρώπου μπορεί να πάει από εδώ στον Ήλιο και πάλι πίσω παραπάνω από 300 φορές!!! Πώς είναι δυνατόν ένα τόσο μακρύ μόριο να χωράει στον πυρήνα που έχει διάμετρο μερικά εκατομμυριοστά του μέτρου;

Η απάντηση βρίσκεται στο γεγονός ότι συγκεκριμένες πρωτεΐνες πακετάρουν το χρωμοσωμικό DNA ώστε να χωρέσει στον μικροσκοπικό ευκαρυωτικό πυρήνα. Οι πρωτεΐνες αυτές ονομάζονται ιστόνες και είναι υπεύθυνες για το πρώτο επίπεδο πακεταρίσματος του DNA.

Το μόριο του “γυμνού DNA” έχει διάμετρο 2nm. Η συσπειρωμένη μορφή του DNA με την βοήθεια των ιστονών ονομάζεται χρωματίνη. Η ενέργεια που απαιτείται για την συσπείρωση παρέχεται από τις ιστόνες με τη μορφή ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Σαν αποτέλεσμα, η χρωματίνη καταλαμβάνει μικρότερο χώρο από ότι το DNA μόνο του.

Οι ιστόνες είναι μια οικογένεια πρωτεϊνών, οι οποίες είναι θετικά φορτισμένες και ονομάζονται Η1, Η2Α, Η2Β, Η3 και Η4. Eίναι μικρά μόρια, αποτελούμενα από περίπου 100 αμινοξέα το καθένα. To DNA είναι αρνητικά φορτισμένο, εξαιτίας των φωσφορικών ομάδων των νουκλεοτιδίων του, με αποτέλεσμα οι ιστόνες να προσδένονται σε αυτό πολύ ισχυρά.

H βασική δομική και λειτουργική μονάδα οργάνωσης της χρωματίνης είναι το νουκλεόσωμα, που περιέχει 8 μόρια πρωτεϊνών και περίπου 146 ζβ DNA. Στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, η χρωματίνη εμφανίζεται σαν κλωστή με χάντρες. Δύο μόρια από κάθε ιστόνη Η1, Η2Α, Η2Β, Η3 και Η4 σχηματίζουν το οκταμερές των ιστονών, γύρω από το οποίο τυλίγεται περίπου 1,7 στροφές του DNA ή περίπου 146 ζβ. Στο νουκλεόσωμα, τα αμινοτελικά άκρα των ιστονών (ουρές των ιστονών) εκτείνονται προς τα έξω. Έπειτα, προστίθεται και η ιστόνη Η1 που τυλίγει ακόμα 20 ζβ DNA γύρω από το οκταμερές, με αποτέλεσμα να τυλίγονται 2 πλήρεις στροφές DNA γύρω από το οκταμερές και να σχηματίζουν μια δομή που λέγεται chromatosome.Σε κάθε chromatosome το συνολικό DNA είναι 166 ζβ, ενώ κάθε χρωμόσωμα περιέχει κατά μέσο όρο 100 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Έτσι, κάθε χρωμόσωμα έχει εκατοντάδες χιλιάδες νουκλεοσώματα. Τα νουκλεοσώματα συνδέονται με αλληλουχίες DNA μήκους 20 ζβ κατά μέσο όρο. Αυτό το DNA ονομάζεται συνδετικό DNA (η κλωστή ανάμεσα στις χάντρες).

A greyscale electron micrograph shows chromatin in an extended form, which resembles beads on a string. The beads are nucleosomes, and the string is DNA. Each nucleosome looks like a small black circle. Many circles are visible on alternating sides of a long string of DNA. Two nucleosomes are indicated with black arrows. A scale bar represents 30 nanometers. Each nucleosome is approximately 10 nanometers in diameter.

Στην διπλανή εικόνα φαίνεται η χρωματίνη στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Μοιάζει με κλωστή με χάντρες (ίνα πάχους 10 nm) και κάθε χάντρα είναι ένα νουκλεόσωμα, το οποίο υποδεικνύεται με βέλος.

Παρακάτω φαίνεται το μοντέλο του νουκλεοσώματος όπως προέκυψε μετά από κρυσταλλογραφία. Οι σαχαροφωσφορικοί σκελετοί του DNA φαίνονται με καφέ και τιρκουάζ χρώμα, ενώ τα μόρια των ιστονών φαίνονται με μπλε (Η3), πράσινο (Η4), κίτρινο (Η2Α) και κόκκινο (Η2Β). Νουκλεοσώματα έχουν μόνο τα ευκαρυωτικά κύτταρα στον πυρήνα τους, ενώ οι προκαρυωτικοί (βακτήρια) δεν έχουν.

 

 

A digital model shows the atomic structure of a nucleosome bound to a DNA molecule, from a top-down perspective and in profile against a black background. In the top-down image, at left, a green and brown DNA double-helix forms a closed circle around a complex of blue, green, yellow, and red coiled ribbons. Each ribbon represents a histone protein. In the profile image, at right, the double-helix is wound around the histone proteins in an upside down U-shape.

A black-and-white electron micrograph shows a 30-nanometer chromatin fiber. The fiber appears as a black, vertical, elongated tube against a light grey background. It starts in the upper left, curves toward the right, and then curves back and ends at the center bottom. Other short black tubes appear in the upper right and left middle and bottom.

Το πακετάρισμα του DNA σε νουκλεοσώματα μικραίνει το μήκος της ίνας του DNA περίπου 7 φορές. Με άλλα λόγια, ένα κομμάτι DNA μήκους 1 μέτρου γίνεται “κλωστή με χάντρες” ή αλλιώς ινίδιο χρωματίνης μήκους 14 εκατοστών. Παρά αυτή τη σμίκρυνση, η χρωματίνη είναι ακόμα αρκετά μακριά για να χωρέσει στον πυρήνα, o οποίος τυπικά έχει διάμετρο 10 με 20 μικρόμετρα. Γι’ αυτό, η χρωματίνη αναδιπλώνεται περαιτέρω σε μια βραχύτερη και παχύτερη ίνα διαμέτρου 30 nm, η οποία φαίνεται στην διπλανή εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Στο σχηματισμό την ίνας διαμέτρου 30 nm φαίνεται να διαδραματίζει σημαντικό ρόλο η ιστόνη Η1. Αυτό το επίπεδο αναδίπλωσης οφείλεται σε αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στις ουρές των ιστονών ενός νουκλεοσώματος και στα γειτονικά προς αυτό νουκλεοσώματα, αλλά και τμήματα συνδετικού DNA. Oι εν λόγω αλληλεπιδράσεις προκαλούν περιέλιξη ή αναδίπλωση της ίνας των 10 nm σε μια ίνα χρωματίνης πάχους 30 nm, η οποία φαίνεται να είναι η κυρίαρχη μορφή οργάνωσης της χρωματίνης στον μεσοφασικό πυρήνα.

Με τη σειρά της, η ίνα των 30 nm σχηματίζει βρόγχους (αναδιπλωμένες περιοχές).Αυτές οι περιοχές προσδένονται σε μια ικριωματική δομή από πρωτεΐνες, σχηματίζοντας ίνα πάχους 300 nm. Σε ένα μιτωτικό χρωμόσωμα, οι βρόγχοι΄συσπειρώνονται ακόμα περισσότερο, καθιστώντας την χρωματίνη ακόμα πιο συμπαγή. Αποτέλεσμα αυτής της συμπύκνωσης είναι το μεταφασικό χρωμόσωμα.

Όταν τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαιρούνται, το DNA τους μεταβιβάζεται ισάξια στα θυγατρικά κύτταρα. Για να επιτευχθεί αυτό, το DNA αποκτά την μορφή των μεταφασικών χρωμοσωμάτων τα οποία αποτελούνται από 2 αδερφές χρωματίδες, έχουν το μέγιστο βαθμό συσπείρωσης και είναι ορατά στο οπτικό μικροσκόπιο. Μόλις το κύτταρο διαιρεθεί, οι αδερφές χρωματίδες κάθε χρωμοσώματος μοιράζονται σε κάθε θυγατρικό κύτταρο κι εκεί αποσυσπειρώνονται ξανά, σχηματίζοντας πάλι από ένα ινίδιο χρωματίνης.

Συγκρίνοντας το μήκος του μεταφασικού χρωμοσώματος με εκείνο του γυμνού DNA, ο βαθμός συσπείρωσης του DNA στα μεταφασικά χρωμοσώματα είναι 10000:1. 

Κατά την αντιγραφή του DNA ή την μεταγραφή, οι δύο αλυσίδες του DNA αποχωρίζονται προσωρινά, επιτρέποντας την δράση των αντίστοιχων ενζύμων. Παρόλα αυτά, η παρουσία νουκλεοσωμάτων και η αναδίπλωση της χρωματίνης σε ίνες των 30 nm εμποδίζει τη δράση των ενζύμων. Γι’ αυτό είναι σημαντικό για τα κύτταρα να έχουν τρόπους ώστε να ξετυλίγουν τα ινίδια της χρωματίνης και να απομακρύνουν προσωρινά τις ιστόνες ώστε να επιτρέπονται οι διαδικασίες αντιγραφής και μεταγραφής. 

Ακετυλίωση ιστονών ονομάζεται η τροποποίηση των ιστονών κατά την οποία προστίθενται ακετυλομάδες (-COCH3) στις ουρές των ιστονών, με αποτέλεσμα να εξουδετερώνεται το θετικό τους φορτίο και να μην μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τα γειτονικά τους νουκλεοσώματα. Έτσι, η χρωματίνη με ακετυλιωμένες ιστόνες έχει χαλαρότερη δομή. Κατά συνέπεια, τα ένζυμα της μεταγραφής μπορούν να προσεγγίσουν ευκολότερα αυτές τις περιοχές του DNA που αντιστοιχούν σε γονίδια και είναι ακετυλιωμένες. Τέλος, η μεθυλίωση (προσθήκη μεθυλομάδων -CH3) σε ιστόνες αυξάνει τη συμπύκνωση της χρωματίνης, ενώ αν δίπλα στη μεθυλίωση γίνει φωσφορυλίωση (προσθήκη φωσφορικής ομάδας σε αμινοξύ), μπορεί να προκαλέσει το αντίθετο αποτέλεσμα.

Πηγές:

Annunziato, Anthony T. www.nature.com. 2008. 27 07 2018 <https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin 310>.

Campbell, Neil A. and Jane B. Reece. Βιολογία, Τόμος Ι: Η χημεία της ζωής – Το κύτταρο – Γενετική. Ηράκλειο: Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 2015. 394-397.

 

 

One Reply to “Το πακετάρισμα του DNA στον πυρήνα του ευκαρυωτικού κυττάρου”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *