Структура хромосом и упаковка ДНК

Структура хромосом и упаковка ДНК объясняют, как длинные молекулы ДНК генома компактируются, организуются и становятся доступными внутри ядра. Упаковка начинается с наматывания ДНК вокруг гистоновых белков с образованием нуклеосом и продолжается через более высокие порядки укладки в хроматин и, при делении клетки, в конденсированные хромосомы.

Definition

Упаковка хромосом — это иерархическая организация геномной ДНК с белками, начинающаяся с нуклеосом (ДНК, обернутая вокруг гистоновых октамеров) и распространяющаяся на компактные хроматиновые волокна и конденсированные хромосомы, которые вместе позволяют геному помещаться в ядре, регулируя при этом доступ к ДНК.

Scope

Статья охватывает нуклеосому как повторяющуюся единицу хроматина, гистоновые белки и гистоновый октамер, линкерные гистоны и укладку более высокого порядка, различие между более и менее компактными состояниями хроматина, а также крупномасштабную укладку генома внутри ядра. Это справочная тема по структуре, и она не содержит клинических рекомендаций.

Key concepts

• Нуклеосома (повторяющаяся единица хроматина)
• Гистоновый октамер (H2A, H2B, H3, H4)
• Линкерный гистон H1
• Хроматиновое волокно и укладка более высокого порядка
• Эухроматин и гетерохроматин
• Топологически ассоциированные домены
• Конденсация митотических хромосом

Mechanisms

Фундаментальной единицей упаковки является нуклеосома, в которой около 147 пар оснований ДНК оборачиваются почти дважды вокруг основного октамера из двух копий каждого из гистонов H2A, H2B, H3 и H4; это повторяющееся расположение «бусины на нити» было идентифицировано Корнбергом и визуализировано Олинсом и Олинсом. Линкерный гистон (H1) связывается там, где ДНК входит и выходит из нуклеосомы, и способствует укладке в более компактное хроматиновое волокно. Последовательные уровни укладки и образования петель организуют хроматин в домены, а методы изучения конформации хромосом, такие как Hi-C, показывают, что интерфазные геномы разделены на самовзаимодействующие топологические домены и компартменты. Степень компактизации варьируется между транскрипционно активным, более открытым хроматином и конденсированным, обычно репрессированным хроматином, и весь геном максимально конденсируется в дискретные хромосомы во время митоза для обеспечения точной сегрегации.

Clinical relevance

То, как упакована ДНК, влияет на доступность генов и стабильность наследования геномов, а организация хроматина является основной темой в молекулярной медицине и биологии развития. Статья описывает структуру для справки и не является основой для индивидуальных клинических решений.

History

В начале 1970-х годов биохимические паттерны расщепления и изображения электронной микроскопии сошлись на нуклеосомной модели, сформулированной Корнбергом в 1974 году и визуализированной как повторяющиеся сфероидальные единицы Олинсом и Олинсом в том же году. Более поздние работы характеризовали линкерные гистоны и укладку более высокого порядка, а с 2009 года методы захвата конформации хромосом начали картировать, как целые геномы укладываются в трех измерениях.

Key figures

• Roger Kornberg
• Ada Olins
• Donald Olins
• Tom Misteli

Seminal works

• kornberg-1974
• olins-olins-1974
• lieberman-aiden-2009

Frequently asked questions

Что такое нуклеосома?

Нуклеосома — это основная повторяющаяся единица хроматина: участок ДНК, обернутый вокруг ядра из восьми гистоновых белков. Цепочки нуклеосом укладываются в более компактные хроматиновые волокна.

Почему ДНК вообще нужно упаковывать?

ДНК в одной человеческой клетке имеет длину около двух метров и должна помещаться внутри микроскопического ядра; упаковка компактирует ее, защищает и организует таким образом, чтобы нужные гены могли быть доступны при необходимости.