V eni sami človeški celici je okoli dva metra DNK, medtem ko je celično jedro veliko le približno 10 mikrometrov. Da se tako dolga molekula sploh lahko spravi v tako majhen prostor, jo posebni proteini organizirajo v gosto zvito strukturo. Brez te zgradbe DNK ne bi mogla ustrezno delovati in bi zavzela preveč prostora v jedru.
V tem učnem priročniku boš spoznal, kako se oblikuje kromatin – od zvijanja DNK do vezave histonov. Opisane so osnovne enote, kot je nukleosom, vrste histonov, razlika med evkromatinom in heterokromatinom, nivoji zgradbe kromatinskih vlaken ter spremembe v pakiranju med različnimi fazami celičnega cikla. Vključen je tudi vpliv centromer, telomer in remodeliranja kromatina na zgradbo v različnih pogojih celice.
Kromati: povzetek
Potrebuješ osnovno razlago? Tukaj so najpomembnejša dejstva o tem, kaj kromatin je in kako deluje:
🟠 Kromatin je kompleks DNK in proteinov v evkariontskih celicah, ki omogoča zgoščeno pakiranje dolgih DNK verig.
🟠 Nukleosom je osnovna enota kromatina. Sestavljajo ga štirje pari histonov (H2A, H2B, H3, H4), okrog katerih je ovitih približno 146 baznih parov DNK.
🟠 Evkromatin je manj zgoščen del kromatina in omogoča prepisovanje genov. Heterokromatin je bolj gost in večinoma transkripcijsko neaktiven.
🟠 Med mitozo se kromatin dodatno kondenzira v kromosome prek več stopenj zvijanja v vlakna in zanke.
🟠 Modifikacije histonov in delovanje kromatinskih remodelatorjev določajo, koliko DNK je dostopne za procese, kot so prepisovanje in podvajanje.
🟠 Posebne oblike kromatina nastanejo na centromerah in telomerah, kjer pomagajo pri razporejanju kromosomov in varovanju njihovih koncev.
Zgradba kromatina v evkariontskih celicah
Dva metra DNK ne moreta preprosto ležati v celičnem jedru, ki meri komaj deset mikrometrov. Evkariontske celice ta problem rešujejo tako, da DNK tesno ovijejo okoli proteinov in jo organizirajo v kromatin. S tem ohranijo red in stabilnost, hkrati pa DNK ostane dovolj kompaktna, da se prilega v omejen prostor jedra.
Kromatin sestavlja vsa DNK v evkariontskih kromosomih, skupaj z veliko količino proteinov – teh je celo več kot DNK. Največji delež zavzemajo histoni, bazični proteini, ki se zaradi svojega pozitivnega naboja močno vežejo na negativno DNK. Na ta način jo ovijejo v manjše, bolj stabilne enote.
Poleg histonov so prisotni še nehistonski proteini, ki pomagajo oblikovati tridimenzionalno zgradbo in omogočajo, da celica po potrebi dostopa do določenih delov DNK. V prokariontih kromatina ni – njihova krožna DNK se s pomočjo drugih proteinov oblikuje v genofor, ki se nahaja v območju, imenovanem nukleoid.
| Komponenta | Vrsta | Funkcija |
| DNK | Jedrna kislina | Nosilka genetske informacije |
| Histoni | Bazični proteini | Zvijajo DNK v nukleosome |
| Nehistonski proteini | Strukturni ali encimski | Urejajo zgradbo in omogočajo dostop |
Nukleosom – zgradba in vloga
Kako nastane nukleosom
Nukleosom nastane, ko se DNK ovije okoli osmih histonov – dveh H2A, H2B, H3 in H4. Ovitek naredi približno eno in pol zavoja ter zajame 146 baznih parov. Med posameznimi enotami se nahaja povezovalna DNK. Nanjo se veže histon H1, ki dodatno stabilizira strukturo. Tako nastane kromatosom – osnovni zavoj DNK, ki je dovolj kompakten, a še vedno dostopen za prepisovanje in druge procese.
Vlakno nanizanih kroglic
Nukleosomi so razporejeni vzdolž DNK kot kroglice na vrvici. Med njimi je 20 do 60 baznih parov povezovalne DNK, celotna enota pa meri približno 200 baznih parov. Elektronski mikroskop pokaže ta vzorec kot vlakno z nanizanimi kroglicami. Tudi encim mikrokokalna nukleaza to potrjuje – razreže povezovalne odseke in pusti enako dolge fragmente DNK. To 10-nanometrsko vlakno je osnovna oblika kromatina, ki ureja genom brez omejevanja dostopa do pomembnih regij.
Višje stopnje pakiranja kromatina
Od osnovnega vlakna do kromosoma
Iz 10-nanometrskega vlakna nastane debelejše 30-nanometrsko vlakno. To dodatno skrajša DNK in prispeva k večji urejenosti. Obstajata dve glavni razlagi: po eni se nukleosomi spiralno navijajo (solenoidni model), po drugi pa se povezovalna DNK izmenično prepleta (cik-cak model). Noben model še ni dokončno potrjen, saj mikroskopske metode ne pokažejo enotne slike. V času mitoze se 30-nanometrsko vlakno zvije v zanke in se zloži v gost kromosom, ki ga vidimo pod mikroskopom.
Razlike med vrstami celic
Zgradba kromatina se lahko med celicami precej razlikuje. Pri semenčicah se histoni zamenjajo s protamini, kar omogoča še večje pakiranje DNK. Nekatere praživali, denimo tripanozomi, sploh ne tvorijo vidnih kromosomov. Tudi rdeče krvničke ptic in določene specializirane celice imajo posebne načine zlaganja. Te razlike kažejo, da se kromatin lahko prilagodi vrsti celice in njenim nalogam.
Evkromatin in heterokromatin
Zgradba evkromatina
Evkromatin je ohlapneje zvit del kromatina, kjer poteka transkripcija. V njem so aktivni geni, saj zgradba omogoča dostop do DNK. Pojavlja se kot 10-nanometrsko vlakno in v obliki zank 30-nanometrskega vlakna. Ta razporeditev omogoča, da encimi in transkripcijski faktorji brez težav pridejo do zapisa. Pod mikroskopom je evkromatin svetlejši, saj je manj zgoščen in zato šibkeje veže barvila.
Zgradba heterokromatina
Heterokromatin je tesno zložen in vsebuje dolge ponavljajoče se sekvence DNK. Običajno ostane v zaprtem stanju, zato so geni v teh predelih neaktivni. Nahaja se predvsem v območjih centromer in telomer. Zaradi goste zgradbe močno veže barvila in se pri barvanju prikaže temneje. Kompaktna oblika pripomore k stabilnosti kromosomov, zlasti med mitozo.
Povzetek primerjave:
- Evkromatin: veliko aktivnih genov
- Heterokromatin: malo aktivnih genov
- Razlikujeta se po zgoščenosti in videzu pri barvanju
Vrste kromatina
| Značilnost | Evkromatin | Heterokromatin |
| Zgoščenost | Nizka | Visoka |
| Aktivnost DNK | Aktivna | Neaktivna |
| Lokacija | Razpršen po jedru | Ob jedrni ovojnici in v centromerah |
| Zaporedja DNK | Edinstvena | Ponavljajoča se |
Spreminjanje kromatina med celičnim ciklom
Organizacija kromatina v interfazi
V interfazi je DNK razmeroma sproščena, da ostanejo geni dostopni. Večina kromatina je v obliki evkromatina, ki se razporedi v zanke, pritrjene na beljakovinsko ogrodje. Takšna zgradba ohranja red v celičnem jedru in omogoča, da encimi pridejo do DNK. V tej fazi potekata transkripcija in podvajanje DNK, zato mora biti kromatin prožen. Kromosomi pod mikroskopom niso vidni, vendar kromatin zapolni vse jedro. Zgradba se sproti prilagaja glede na to, katere gene celica trenutno uporablja.
Kondenzacija kromatina med mitozo
Na začetku mitoze se kromatin močno zvije v kompaktne zanke. Te se pritrdijo na ogrodje iz strukturnih proteinov, kot sta kondenzin in topoizomeraza. S tem se DNK skrajša za približno 10.000-krat, kar vodi do nastanka gostih metafaznih kromosomov. Transkripcija se v tej fazi ustavi, saj je DNK preveč zapakirana, da bi bila dostopna. Nekateri aktivni geni ostanejo delno odprti – ta pojav imenujemo »označevanje mest«, saj omogoča hiter ponovni zagon teh genov po delitvi. Kompaktna zgradba hkrati ščiti DNK med razporejanjem v hčerinski celici.
Mehanizmi remodeliranja kromatina
Modifikacije histonov in dostopnost DNK
Celice spreminjajo zgradbo kromatina z dodajanjem kemijskih skupin na repke histonov. Acetilacija zmanjša pozitiven naboj histonov, kar oslabi vez z DNK in poveča dostopnost. Metilacija ima različne učinke – vse je odvisno od mesta, kjer poteka. Na primer, oznaka H3K4me3 se povezuje z aktivnimi geni, medtem ko je H3K9me3 prisotna v zaprtih, tihih predelih. Te majhne spremembe vplivajo na to, kako enostavno lahko encimi pridejo do DNK. Na ta način celica uravnava aktivnost genov brez spreminjanja zaporedja DNK.
Kompleksi za remodeliranje
Posebne beljakovinske skupine uporabljajo energijo ATP, da preuredijo zgradbo kromatina. Kompleksi, kot sta CHD7 in SWI/SNF, premikajo nukleosome, jih odstranijo ali prestavijo. S tem ustvarijo prostor za encime, ki prepisujejo ali podvajajo DNK. Ti procesi potekajo hitro in omogočajo, da genom ostaja prilagodljiv. Vsak kompleks deluje na določenih regijah ali kot odziv na signal iz celice.
Glavna dejanja remodeliranja:
- Uporaba ATP za spremembe zgradbe
- Kemijsko spreminjanje repkov histonov
- Povečevanje dostopnosti za transkripcijo
Centromerni kromatin
Zgradba in sestava
Centromerni kromatin se nahaja na osrednjem delu kromosoma, kjer med mitozo drži skupaj sestrski kromatidi. Na tem območju nastane kinetohor – beljakovinski kompleks, ki se poveže z delitvenim vretenom. Centromerna regija je oblikovana kot heterokromatin in vsebuje posebne histone, kot je CENP-A, ki nadomesti običajni H3. Zaradi svoje sestave in zgoščenosti centromera vzdrži mehanske sile med ločevanjem kromosomov. Če ta zgradba ni pravilna, se kromosomi med delitvijo nepravilno porazdelijo med hčerinski celici.
Primeri centromernih zaporedij
- S. cerevisiae: kratko zaporedje, 125 baznih parov, z veliko deležem AT
- S. pombe: dolžina med 40 in 100 kilobaznih parov, vsebuje ponovitve in unikatne odseke
- Človek: α-satelitna DNK, dolga več milijonov baznih parov
Telomerni kromatin
Zaporedje in zgradba telomer
Telomere se nahajajo na koncih linearnih kromosomov in vsebujejo ponavljajoča se zaporedja, bogata z gvaninom – pri človeku je to TTAGGG. Ta zaporedja se ponovijo na tisoče krat. Veriga se konča s 3′ previsom, ki se zavihano vstavi v dvojno verigo DNK in tvori T-zanko. Zanka in vezani proteini ščitijo kromosomski konec pred razgradnjo. Telomere so organizirane kot heterokromatin, zato so kompaktne in stabilne. Zaradi take zgradbe celica ne zazna kromosomskih koncev kot poškodovane DNK.
Primerjava med organizmi
- Človek: TTAGGG
- Tetrahymena: GGGGTT
Ponavljajoča zaporedja so prisotna več sto krat, nanje pa se veže zaščitni kompleks shelterin, ki stabilizira zgradbo telomer.
Metode za preučevanje kromatina
Znanstveniki uporabljajo več metod za analizo strukture in dostopnosti kromatina. S temi tehnikami ugotovijo, kako močno je DNK zapakirana, kje se vežejo proteini in kako so kromosomi urejeni znotraj celičnega jedra.
• ChIP-seq: zazna mesta vezave histonov ali drugih proteinov na DNK.
• DNase-seq: razkrije regije z manjšo zgoščenostjo DNK, ki so bolj dostopne.
• MNase-seq: določa položaje nukleosomov z rezanjem povezovalnih odsekov DNK.
• ATAC-seq: z encimom transpozazo označi odprte predele kromatina encima.
• 3C (chromosome conformation capture): razkrije prostorsko zlaganje DNK in oblikovanje zank v jedru.
Pri analizi zgradbe pomaga tudi mikroskopija. Barvila, kot je Giemsa, jasno ločijo kromatinske tipe: svetli deli označujejo evkromatin, temni pa gosto zapakiran heterokromatin.
Z vsemi temi metodami dobimo natančnejšo sliko, kako je DNK organizirana znotraj celice in kako se zgradba kromatina spreminja glede na funkcijo.
Dinamičnost kromatina v realnem času
Kromatin ni toga struktura, obnaša se bolj kot tekočina. Stalno se premika, rahlo razpira ali zgosti, odvisno od signalov v celici. Zaradi te gibljivosti lahko celica začasno omogoči dostop do DNK, ne da bi morala razvezati celotno strukturo.
Transkripcijski faktorji pogosto tvorijo kapljicam podobne strukture s fazno ločitvijo. Te kapljice privabijo potrebne beljakovine za prepisovanje in jih usmerijo k določenim genom. Ko se kromatin nekoliko odpre, lahko ti faktorji dosežejo zapis in sprožijo transkripcijo.
Geni ne delujejo neprestano. Aktivirajo se v kratkih intervalih, kadar se kromatin za trenutek sprosti in omogoči RNA-polimerazi dostop do zapisa. Takšna prehodna aktivacija povzroča razlike v izražanju genov med celicami, čeprav imajo enako DNK.
Individualne inštrukcije biologije: pomoč pri razumevanju kromatina
Če ti pojmi, kot so nukleosom, evkromatin ali povezovalna DNK, povzročajo zmedo, naj te to ne skrbi. Dober inštruktor ti jih zna razložiti jasno in tako, da bodo imeli smisel. Skupaj bosta pogledala, kako se DNK ovija okoli histonov, kaj predstavlja 30 nm vlakno in zakaj je del DNK bolj dejaven kot preostali.
Individualne inštrukcije biologije potekajo v tvojem ritmu. Ne glede na to, ali iščeš »inštruktor biologije Kranj« ali »zasebni učitelj biologije Ljubljana«, ti inštrukcije pomagajo razumeti, kar dejansko preverjajo pri testih. Tudi če ti biologija ne leži, lahko z razlago po korakih razumeš, kako kromatin deluje.
V »inštrukcije molekularne biologije Maribor« ali pri »spletne inštrukcije Koper« lahko hitro začneš z učenjem. Namesto da si skušaš zapomniti nejasne izraze, boš razumel povezave med strukturo in funkcijo v celici. Inštruktor ti pri tem stoji ob strani in razjasni, kar v šoli ostane nepojasnjeno. Uro si lahko rezerviraš na meet’n’learn.
Za dodatno razlago pa pokukaj v naše spletne učbenike za biologijo. Če naletiš na težjo snov, ti lahko inštruktor pomaga razjasniti vse, kar potrebuješ za šolske obveznosti.
Kromatin: pogosta vprašanja
1. Iz česa je sestavljen kromatin?
Kromatin sestavljajo DNK, histonski proteini in različni nehistonski proteini.
2. Kje v celici se nahaja kromatin?
Kromatin je prisoten v jedru evkariontskih celic.
3. Kakšno vlogo ima nukleosom?
Nukleosom zavije DNK okoli histonov in s tem tvori osnovno strukturo kromatina.
4. Kakšna je razlika med evkromatinom in heterokromatinom?
Evkromatin je manj gost in vsebuje aktivne gene, heterokromatin pa je bolj zgoščen in praviloma neaktiven.
5. Kaj se zgodi s kromatinom med mitozo?
Med mitozo se kromatin zloži v kompaktne kromosome s pomočjo zank in spiralnega zvijanja.
6. Kakšna je zgradba kromatina v telomerah?
Telomerni kromatin ima obliko zanke, sestavljen je iz ponavljajočih se zaporedij in zaščitnih proteinov.
7. Kakšen je kromatin v centromeri?
Centromerni kromatin vsebuje ponavljajoča se zaporedja DNK in tvori kinetohor, ki omogoča pravilno premikanje kromosomov.
8. Kako na kromatin vplivajo modifikacije histonov?
Modifikacije histonov spreminjajo zgradbo kromatina in določajo, kako dostopna je DNK.
Viri:
1. NCBI
2. PubMed
3. Wikipedia
