โครงสร้างและการเข้าถึงของโครมาติน
โครมาตินคือสารเชิงซ้อนของดีเอ็นเอและโปรตีน โดยเฉพาะฮิสโตน ซึ่งบรรจุจีโนมของยูคาริโอตไว้ภายในนิวเคลียส โครงสร้างของมันไม่ใช่รูปแบบการจัดเก็บแบบเฉื่อยชา: โดยการกำหนดว่าส่วนใดของดีเอ็นเอที่ถูกเปิดเผยและส่วนใดที่ถูกซ่อน โครมาตินจะควบคุมว่ายีนสามารถถูกอ่าน ทำซ้ำ หรือซ่อมแซมได้หรือไม่ หัวข้อนี้จะนำผู้อ่านไปสู่การทำความเข้าใจว่าจีโนมถูกจัดระเบียบ อัดแน่น และทำให้สามารถเข้าถึงได้แบบเลือกสรรได้อย่างไร
Definition
โครมาตินคือสารเชิงซ้อนระดับมหภาคของดีเอ็นเอจีโนมที่พันรอบโปรตีนฮิสโตน จัดเรียงเป็นนิวคลีโอโซมและการพับระดับสูงขึ้น ซึ่งสถานะการอัดแน่นของมันเป็นตัวกำหนดการเข้าถึงของดีเอ็นเอต่อโปรตีนที่ถอดรหัส ทำซ้ำ และซ่อมแซมดีเอ็นเอนั้น
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงองค์ประกอบพื้นฐานและการจัดระเบียบระดับสูงของโครมาติน และหลักการของการเข้าถึงที่เชื่อมโยงโครงสร้างกับการทำงานของจีโนม โดยจะแนะนำนิวคลีโอโซมและฮิสโตนออกตาเมอร์, สารเชิงซ้อนที่ปรับโครงสร้างใหม่ที่ขึ้นกับ ATP ซึ่งจะจัดตำแหน่งใหม่หรือขับไล่นิวคลีโอโซม, การแบ่งกว้างๆ ระหว่างยูโครมาตินที่อนุญาตให้มีการถอดรหัสและเฮเทอโรโครมาตินที่ยับยั้งการถอดรหัส, และการจัดตำแหน่งและพลวัตของนิวคลีโอโซมที่กำหนดภูมิทัศน์การควบคุม หัวข้อนี้ถือว่าโครมาตินเป็นหัวข้อเชิงโครงสร้างและเชิงควบคุมภายในสาขาพันธุศาสตร์เหนือพันธุกรรม (epigenetics) และไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก
Sub-topics
Core questions
- ดีเอ็นเอที่มีความยาวประมาณสองเมตรถูกบรรจุลงในนิวเคลียสได้อย่างไร ในขณะที่ยังคงสามารถอ่านได้แบบเลือกสรร?
- อะไรคือความแตกต่างระหว่างโครมาตินที่เข้าถึงได้ (เปิด) กับโครมาตินที่อัดแน่นและเข้าถึงไม่ได้?
- เซลล์เปลี่ยนสถานะโครมาตินเพื่อเปิดหรือปิดยีนได้อย่างไร โดยไม่เปลี่ยนแปลงลำดับดีเอ็นเอ?
Key concepts
- นิวคลีโอโซมและฮิสโตนออกตาเมอร์
- การเข้าถึงของดีเอ็นเอ (โครมาตินเปิดเทียบกับโครมาตินปิด)
- ยูโครมาตินและเฮเทอโรโครมาติน
- การอัดแน่นของโครมาตินและการพับระดับสูงขึ้น
- การปรับโครงสร้างโครมาตินที่ขึ้นกับ ATP
- การจัดตำแหน่งและการครอบครองของนิวคลีโอโซม
Key theories
- นิวคลีโอโซมเป็นหน่วยพื้นฐานที่ซ้ำกัน
- โครมาตินสร้างขึ้นจากอนุภาคที่ซ้ำกันซึ่งดีเอ็นเอประมาณ 147 คู่เบสพันรอบออกตาเมอร์ของฮิสโตนแกนกลาง หน่วยนี้ซึ่งได้รับการแก้ไขโครงสร้างโดย Luger และคณะ เป็นพื้นฐานสำหรับการบรรจุระดับสูงขึ้นทั้งหมดและการควบคุมการเข้าถึงดีเอ็นเอ
Mechanisms
จีโนมจะถูกอัดแน่นเป็นอันดับแรกโดยการพันดีเอ็นเอรอบฮิสโตนออกตาเมอร์เพื่อสร้างนิวคลีโอโซม ซึ่งจากนั้นจะถูกพับเป็นโครงสร้างระดับสูงขึ้น การที่ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งสามารถเข้าถึงได้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับว่านิวคลีโอโซมปิดกั้นตำแหน่งนั้นหรือไม่ การดัดแปลงทางเคมีที่ปลายหางของฮิสโตน และการทำงานของสารเชิงซ้อนที่ปรับโครงสร้างใหม่ที่ขึ้นกับ ATP ซึ่งจะเลื่อน ขับไล่ หรือปรับโครงสร้างนิวคลีโอโซม บริเวณที่เข้าถึงได้มักจะสอดคล้องกับโปรโมเตอร์และเอนแฮนเซอร์ที่ทำงานอยู่ ซึ่งโครมาตินในบริเวณนั้นมีนิวคลีโอโซมลดลง ในขณะที่บริเวณที่อัดแน่นมักจะเงียบต่อการถอดรหัส โดยทั่วไป เนื่องจากความสามารถในการเข้าถึงสามารถย้อนกลับได้และสามารถถ่ายทอดทางพันธุกรรมผ่านการแบ่งเซลล์โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงลำดับดีเอ็นเอ โครงสร้างโครมาตินจึงเป็นพื้นฐานสำคัญของการควบคุมทางพันธุศาสตร์เหนือพันธุกรรม
Clinical relevance
การจัดระเบียบของโครมาตินเป็นพื้นฐานว่าเซลล์ประเภทต่างๆ ที่มีจีโนมเหมือนกันแสดงออกยีนที่แตกต่างกันได้อย่างไร และการหยุดชะงักของโครงสร้างโครมาตินกำลังถูกศึกษาในโรคมะเร็ง ความผิดปกติของการพัฒนา และความชรา การทำความเข้าใจการเข้าถึงของโครมาตินยังเป็นกรอบสำหรับวิธีการต่างๆ เช่น ATAC-seq ที่ใช้ในการทำโปรไฟล์บริเวณควบคุมในเนื้อเยื่อต่างๆ บทความนี้เป็นแนวทางอ้างอิงเกี่ยวกับการจัดระเบียบจีโนมและไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา
History
การจัดระเบียบแบบนิวคลีโอโซมที่ซ้ำกันของโครมาตินได้รับการยืนยันในช่วงกลางทศวรรษ 1970 เมื่อ Kornberg เสนอว่าดีเอ็นเอและฮิสโตนก่อตัวเป็นหน่วยที่ซ้ำกันอย่างสม่ำเสมอ โครงสร้างอะตอมของอนุภาคแกนนิวคลีโอโซม ซึ่งได้รับการแก้ไขโดย Luger และคณะในปี 1997 ได้เปิดเผยอย่างแม่นยำว่าดีเอ็นเอพันรอบฮิสโตนออกตาเมอร์อย่างไร และเป็นรากฐานเชิงโครงสร้างสำหรับการศึกษาการเข้าถึงและการดัดแปลง งานวิจัยต่อมาได้รวมโครมาตินเข้ากับกรอบการทำงานที่กว้างขึ้นของพันธุศาสตร์เหนือพันธุกรรม และเชื่อมโยงโครงสร้างของมันกับการควบคุมการถอดรหัส
Key figures
- Roger Kornberg
- Karolin Luger
- Timothy Richmond
- Jane Mellor
Related topics
Seminal works
- kornberg-1974
- luger-1997
- li-2007
Frequently asked questions
- โครมาตินกับดีเอ็นเอแตกต่างกันอย่างไร?
- ดีเอ็นเอคือกรดนิวคลีอิกที่บรรจุข้อมูลทางพันธุกรรม; โครมาตินคือสารเชิงซ้อนที่ใหญ่กว่าของดีเอ็นเอนั้นร่วมกับโปรตีนฮิสโตนและไม่ใช่ฮิสโตนที่บรรจุและจัดระเบียบมันไว้ภายในนิวเคลียส
- เหตุใดการเข้าถึงของโครมาตินจึงมีความสำคัญต่อการแสดงออกของยีน?
- โปรตีนที่อ่านและถอดรหัสยีนสามารถทำงานได้เฉพาะกับดีเอ็นเอที่พวกมันสามารถเข้าถึงได้ โครมาตินที่เปิดและเข้าถึงได้จะอนุญาตให้กลไกเหล่านี้จับตัวได้ ในขณะที่โครมาตินที่อัดแน่นมักจะทำให้ยีนเงียบ ดังนั้นการเข้าถึงจึงเป็นจุดควบคุมสำคัญสำหรับยีนที่ทำงานอยู่