DNA包装:核小体和染色质

引用:Annunziato,。 (2008)DNA包装:核小体和染色质。自然教育 1 (1):26

我们每个人都有足够的DNA从这里到达太阳,超过300次。所有的DNA是如何紧紧地包装成染色体,挤进一个小核吗?

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的单倍体人类基因组包含大约30亿个碱基对的DNA包装成23条染色体。当然,大多数细胞在体内(女性卵子和男性精子除外)二倍体,23对染色体。这使得60亿碱基对的DNA细胞。因为每个碱基对长约0.34纳米(一纳米是一米的1000000000)二倍体细胞因此包含约2米的DNA ((0.34×10⁹)×(6×10⁹)]。此外,据估计,人体有50万亿——100万亿米每人类的DNA。现在,考虑太阳是距离地球1500亿米。这意味着每个人都有足够的DNA从这里到太阳和超过300次,或在地球赤道250万倍!这怎么可能?

DNA,组蛋白、染色质

这个问题的答案在于,某些蛋白质紧凑的染色体DNA的微观空间真核生物的核。这些蛋白质被称为组蛋白,由此产生的dna蛋白质复杂染色质。似乎自相矛盾的,蛋白质被添加到DNA更紧凑。然而,如果你曾经试图存储花园软管,你知道它是更容易这样做如果你开始卷软管。当然,绕线需要工作,和能量需要执行工作。因此,在细胞核内,组蛋白提供能量(主要是静电相互作用的形式)DNA折叠。因此,染色质DNA可以打包成一个小得多的体积比。

组蛋白是一个小的家庭,带正电荷的蛋白质称为H1, H2A、H2B, H3和H4 (Van把握行业,1988)。DNA是带负电荷的,由于磷酸基phosphate-sugar骨干,所以组蛋白与DNA结合非常紧密。

一个双链DNA分子变得越来越更紧凑的包含八个步骤的示意图。在步骤1中,DNA双螺旋一端被描述作为一个水平双链分子。在步骤2到4中,分子的另一端是伤口在布朗盘的1.65倍,代表了核小体。一个文本框在步骤4定义了一个核小体+ H1组蛋白染色体,描述是一个红色的圆柱绑定到外部的螺旋DNA,紧固DNA核小体。在步骤5中,核小体在相互折叠形成一个空洞,管状纤维,许多核小体排列在平行环形成管的外层。在步骤6中,纤维形成波循环,300纳米。300 -纳米纤维看上去就像一个电话绳盘绕。在步骤7中,纤维的循环压缩和折叠在一起。在步骤8中,纤维紧密压缩成一个x染色体。

图1:染色体是由组蛋白DNA伤的很深。

染色体DNA包装内部微观核与组蛋白的帮助。这些都是带正电荷强烈坚持带负电荷的DNA和蛋白质形成复合物称为核小体。每个nuclesome由DNA伤口周围八个组蛋白蛋白质的1.65倍。核小体形成30 nm染色质纤维折叠,形成循环的长度平均为300纳米。300纳米纤维压缩和折叠250纳米宽的纤维,这是紧紧地盘绕成染色体的染色单体。

细节图

核小体:染色质的单位

电子灰度图片显示了染色质扩展形式,类似于珠子一个字符串。珠子是核小体,字符串是DNA。每一个核小体看起来像一个黑色小圆。许多圆圈是可见的交替的一长串DNA。两个核小体与黑色的箭头表示。规模酒吧代表30纳米。每个核小体直径大约10纳米。

图2:染色质的电子显微照片:珠子一个字符串

在这张显微照片中,核小体是由箭头表示。

基本重复染色质的结构和功能单位是核小体,它包含八个组蛋白蛋白质和大约146个碱基对的DNA (Van把握行业,1988;沃尔夫,1999)。观察电子显微镜化验员,染色质出现类似珠链提供了一个早期核小体存在的线索(奥林斯和奥林斯1974;丘鹬et al ., 1976)。另一条线索来自化学交联(即。,加入)组蛋白在染色质(Thomas &科恩伯格,1975)。这个实验证明H2A、H2B H3和H4形成一个离散的蛋白八聚物,,这是完全符合的存在重复histone-containing单位在染色质纤维。

今天,研究人员知道,核小体的结构如下:两个每一个组蛋白H2A、H2B, H3,和H4组蛋白八聚物形成,结合和包裹大约1.7的DNA,约146个碱基对。添加一个H1蛋白质包装另外20个碱基对,导致两个完整转身八聚物,形成一个结构称为染色体4在图1)(框。由此产生的166个碱基对不是很长,考虑到染色体平均包含超过1亿个DNA碱基对。因此,每个染色体包含成千上万的核小体,这些核小体加入到运行它们之间的DNA(平均大约20个碱基对)。这个加入DNA被称为链接器DNA。因此,每个染色体是核小体的长链,使一个字符串的外观的珠子当认为用电子显微镜(图2;奥林斯&奥林斯,1974,2003)。

DNA的数量每核小体由染色质的治疗决定酶削减DNA(这样的酶称为DNA)。这样一个酶,微球菌的核酸酶(MNase),优先削减的重要属性链接器DNA核小体之间之前削减它的DNA缠绕在八聚物。通过调节的切削量发生MNase应用程序之后,可以停止反应之前,每一个链接器DNA裂解。此时,染色质治疗将包括单核小体,dinucleosomes(通过连接器连接DNA), trinucleosomes等等(Hewish伯戈因,1973)。如果从MNase-treated染色质DNA凝胶上分离,乐队将会出现,每个有一个长度的倍数mononucleosomal DNA(诺尔(1974)。对这种现象最简单的解释是,染色质具有基本的重复结构。当这被认为是一起数据从电子显微镜和组蛋白的化学交联,染色质的“亚基理论”(科恩伯格,1974;范把握行业等,1974)。子单元后来被命名为核小体(Oudet等,1975),并最终结晶(鲁格尔手枪等,1997)。的模型核小体的晶体学家们用他们的数据如图3所示。磷酸二酯DNA的骨干双螺旋结构所示布朗和蓝绿色,而组蛋白蛋白质所示蓝色(H3),绿色(H4),黄色(H2A)和红色(H2B)。注意,只有真核生物(即。与原子核和生物体核被膜核小体。原核生物,如细菌,不要。

数字模型显示核小体的原子结构绑定到一个DNA分子,从自上而下的角度和侧面黑色背景。自上而下的形象,在左边,绿色和棕色的DNA双螺旋形式封闭围成一个复杂的蓝色,绿色,黄色和红色卷曲丝带。每个带代表一个组蛋白蛋白质。概要文件的图片,右边,双螺旋缠绕组蛋白蛋白质倒u型。

图3:核小体核心粒子:带状痕迹146 - bp DNA磷酸二酯骨干(布朗和绿松石)和八个组蛋白蛋白质主链(蓝色:H3;绿色:H4;黄色:H2A;红色:H2B)

的观点下的DNA超螺旋轴左粒子和垂直于它的粒子。两个粒子,pseudo-twofold轴对齐与顶部的DNA中心垂直。

染色质盘绕成高阶结构

黑白电子显微图显示了一个30 nm染色质纤维。纤维显示为黑色,垂直,细长管浅灰色背景。它开始在左上方,曲线向右,然后曲线中心底部结束。其他黑色短管出现在右上角,中间和底部。

图4:染色质的电子显微图

染色质的30纳米纤维。规模酒吧= 50 nm。

DNA的包装成核小体缩短了纤维长度约7倍。换句话说,1米长的一段DNA将成为一个“串珠”染色质纤维只有14厘米(约6英寸)长。尽管缩短,一个5英尺的染色质仍很长时间才适应核,这是一般只有10到20微米直径。因此,染色质是进一步盘绕成一个更短,更厚的纤维,被称为“30 nm纤维”,因为它是直径约30纳米(图4)。

多年来,已经有大量的投机有关核小体的方式折叠成30 nm纤维(丘鹬,2005)。部分问题在于,电子显微镜是形象化包装,也许最好的方式,但个别核小体纤维形成后难以辨别。此外,这也使得不同观察是否用孤立的染色质纤维或整个核内染色质。因此,30 nm纤维可能是高度不规则和不均匀结构指导图纸如图1中所示(Bednar等,1998)。有趣的是,组蛋白H1是非常重要的在稳定染色质高级结构,最容易当H1和30 nm纤维形式存在。

过程,如转录和复制要求两股DNA的暂时分开,从而使DNA聚合酶的模板。然而,核小体的存在和染色质折叠成30 nm纤维构成壁垒解除和复制DNA的酶。因此对细胞有重要的开放染色质纤维和/或删除组蛋白是暂时性的,允许转录和复制。一般来说,有两个主要机制染色质更加容易:

组蛋白可以由乙酰、酶改性甲基或磷酸基(Fischle等,2005)。

组蛋白可以流离失所染色质重塑复合物,从而暴露潜在的DNA序列聚合酶等酶(Smith &彼得森,2005)。

重要的是要记住,这些过程是可逆的,所以可以返回修改或重新塑造染色质转录后其紧凑的状态和/或复制完成。

在中期染色体最压实

真核细胞分裂时,基因组DNA必须同样划分为两个子细胞。为此,DNA成为高度压缩成经典中期染色体,用光学显微镜可以看到。一次细胞分裂,其染色体再次展开。

比较中期染色体的长度的裸DNA, DNA的包装比中期染色体大约是10000:1(取决于染色体)。这可以被认为是类似于一根绳子只要一个足球场和压实不到半英寸。这种程度的压实是通过反复染色质纤维折叠成一个层次结构的多个循环和线圈(图1)。这是如何完成尚不清楚,但磷酸化组蛋白的H1可能起到了重要的作用。事实上,这仅仅是一个区域的DNA包装,研究人员将在未来几年继续探索。