Структура и доступность хроматина
Хроматин — это комплекс ДНК и белков, главным образом гистонов, который упаковывает эукариотический геном внутри ядра. Его структура не является пассивной формой хранения: определяя, какие участки ДНК экспонированы, а какие скрыты, хроматин регулирует возможность считывания, репликации или репарации генов. Эта область ориентирует читателя в том, как геном организован, компактизирован и сделан избирательно доступным.
Definition
Хроматин — это макромолекулярный комплекс геномной ДНК, намотанной на гистоновые белки, организованный в нуклеосомы и складки более высокого порядка, состояние компактизации которого определяет доступность ДНК для белков, которые её транскрибируют, реплицируют и репарируют.
Scope
Эта область охватывает строительные блоки и организацию хроматина более высокого порядка, а также принцип доступности, который связывает структуру с функцией генома. Она знакомит с нуклеосомой и гистоновым октамером, АТФ-зависимыми ремоделирующими комплексами, которые перемещают или вытесняют нуклеосомы, широким разделением между транскрипционно-пермиссивным эухроматином и репрессивным гетерохроматином, а также позиционированием и динамикой нуклеосом, которые формируют регуляторные ландшафты. Она рассматривает хроматин как структурную и регуляторную тему в рамках эпигенетики и не является клиническим руководством.
Sub-topics
Core questions
- Как примерно два метра ДНК упаковываются в ядро, оставаясь при этом избирательно считываемыми?
- Что отличает доступный (открытый) хроматин от компактного, недоступного хроматина?
- Как клетки изменяют состояние хроматина, чтобы включать или выключать гены без изменения последовательности ДНК?
Key concepts
- Нуклеосома и гистоновый октамер
- Доступность ДНК (открытый против закрытого хроматина)
- Эухроматин и гетерохроматин
- Компактизация хроматина и укладка более высокого порядка
- АТФ-зависимое ремоделирование хроматина
- Позиционирование и занятость нуклеосом
Key theories
- Нуклеосома как фундаментальная повторяющаяся единица
- Хроматин построен из повторяющейся частицы, в которой около 147 пар оснований ДНК намотаны вокруг октамера основных гистонов; эта единица, структурно определённая Лугером и коллегами, является основой для всей упаковки более высокого порядка и для регулирования доступности ДНК.
Mechanisms
Геном сначала компактизируется путём наматывания ДНК вокруг гистоновых октамеров с образованием нуклеосом, которые затем складываются в структуры более высокого порядка. Доступность данного локуса зависит от того, окклюдируют ли его нуклеосомы, от химических модификаций, несущих гистоновыми хвостами, и от действия АТФ-зависимых ремоделирующих комплексов, которые сдвигают, вытесняют или реструктурируют нуклеосомы. Доступные области, как правило, совпадают с активными промоторами и энхансерами, где хроматин локально обеднён нуклеосомами, тогда как плотно упакованные области обычно транскрипционно неактивны. Поскольку доступность обратима и наследуется при делении клеток без изменений последовательности ДНК, структура хроматина является центральным субстратом эпигенетической регуляции.
Clinical relevance
Организация хроматина лежит в основе того, как типы клеток с идентичными геномами экспрессируют разные гены, а нарушения структуры хроматина изучаются при раке, нарушениях развития и старении. Понимание доступности хроматина также формирует методы, такие как ATAC-seq, которые профилируют регуляторные области в различных тканях. Эта статья является справочной ориентацией по организации генома и не предоставляет диагностических или лечебных рекомендаций.
History
Повторяющаяся нуклеосомная организация хроматина была установлена в середине 1970-х годов, когда Корнберг предположил, что ДНК и гистоны образуют регулярную повторяющуюся единицу. Атомная структура нуклеосомной сердцевинной частицы, определённая Лугером и коллегами в 1997 году, точно показала, как ДНК наматывается вокруг гистонового октамера, и заложила структурную основу для изучения доступности и модификации. Последующая работа интегрировала хроматин в более широкую операционную структуру эпигенетики и связала его структуру с контролем транскрипции.
Key figures
- Roger Kornberg
- Karolin Luger
- Timothy Richmond
- Jane Mellor
Related topics
Seminal works
- kornberg-1974
- luger-1997
- li-2007
Frequently asked questions
- В чём разница между хроматином и ДНК?
- ДНК — это нуклеиновая кислота, которая несёт генетическую информацию; хроматин — это более крупный комплекс этой ДНК вместе с гистоновыми и негистоновыми белками, который упаковывает и организует её внутри ядра.
- Почему доступность хроматина важна для экспрессии генов?
- Белки, которые считывают и транскрибируют гены, могут действовать только на ту ДНК, до которой они могут добраться. Открытый, доступный хроматин позволяет этому аппарату связываться, тогда как компактный хроматин, как правило, удерживает гены в молчащем состоянии, поэтому доступность является ключевым контрольным пунктом для определения того, какие гены активны.