โครงสร้างโครโมโซมและการบรรจุดีเอ็นเอ

โครงสร้างโครโมโซมและการบรรจุดีเอ็นเออธิบายว่าโมเลกุลดีเอ็นเอขนาดยาวของจีโนมถูกอัดแน่น จัดระเบียบ และทำให้เข้าถึงได้ภายในนิวเคลียสได้อย่างไร การบรรจุเริ่มต้นด้วยการพันดีเอ็นเอรอบโปรตีนฮิสโตนเพื่อสร้างนิวคลีโอโซม และดำเนินต่อไปผ่านการพับในระดับที่สูงขึ้นไปเป็นโครมาติน และเมื่อเซลล์แบ่งตัว จะกลายเป็นโครโมโซมที่ควบแน่น

Definition

การบรรจุโครโมโซมคือการจัดระเบียบแบบลำดับชั้นของดีเอ็นเอจีโนมกับโปรตีน โดยเริ่มต้นจากนิวคลีโอโซม (ดีเอ็นเอที่พันรอบฮิสโตนออกตาเมอร์) และขยายไปสู่เส้นใยโครมาตินที่อัดแน่นและโครโมโซมที่ควบแน่น ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยให้จีโนมสามารถบรรจุอยู่ในนิวเคลียสได้พร้อมทั้งควบคุมการเข้าถึงดีเอ็นเอ

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงนิวคลีโอโซมในฐานะหน่วยซ้ำของโครมาติน โปรตีนฮิสโตนและฮิสโตนออกตาเมอร์ ฮิสโตนเชื่อมโยงและการพับในระดับที่สูงขึ้น ความแตกต่างระหว่างสถานะโครมาตินที่อัดแน่นมากและน้อย และการพับจีโนมขนาดใหญ่ภายในนิวเคลียส เป็นหัวข้ออ้างอิงเชิงโครงสร้างและไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิก

Key concepts

• นิวคลีโอโซม (หน่วยซ้ำของโครมาติน)
• ฮิสโตนออกตาเมอร์ (H2A, H2B, H3, H4)
• ฮิสโตนเชื่อมโยง H1
• เส้นใยโครมาตินและการพับในระดับที่สูงขึ้น
• ยูโครมาตินและเฮเทอโรโครมาติน
• โดเมนที่เชื่อมโยงกันทางทอพอโลยี
• การควบแน่นของโครโมโซมในระยะไมโทซิส

Mechanisms

หน่วยบรรจุพื้นฐานคือนิวคลีโอโซม ซึ่งดีเอ็นเอประมาณ 147 คู่เบสจะพันเกือบสองรอบแกนกลางของออกตาเมอร์ที่ประกอบด้วยฮิสโตน H2A, H2B, H3 และ H4 อย่างละสองชุด การจัดเรียงแบบลูกปัดบนเส้นด้ายที่ซ้ำกันนี้ถูกระบุโดย Kornberg และแสดงให้เห็นโดย Olins และ Olins ฮิสโตนเชื่อมโยง (H1) จะจับกับบริเวณที่ดีเอ็นเอเข้าและออกจากนิวคลีโอโซม และส่งเสริมการพับเป็นเส้นใยโครมาตินที่อัดแน่นยิ่งขึ้น การพับและการสร้างวงซ้ำๆ ในระดับที่ต่อเนื่องกันจะจัดระเบียบโครมาตินเป็นโดเมน และวิธีการศึกษาโครงสร้างโครโมโซม เช่น Hi-C เผยให้เห็นว่าจีโนมในระยะอินเตอร์เฟสถูกแบ่งออกเป็นโดเมนทางทอพอโลยีและคอมพาร์ตเมนต์ที่มีปฏิสัมพันธ์กันเอง ระดับการอัดแน่นจะแตกต่างกันไประหว่างโครมาตินที่ทำงานในการถอดรหัสและเปิดกว้างกว่า กับโครมาตินที่ควบแน่นและโดยทั่วไปแล้วถูกยับยั้ง และจีโนมทั้งหมดจะถูกควบแน่นสูงสุดเป็นโครโมโซมที่แยกจากกันในระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสเพื่อให้สามารถแยกตัวได้อย่างถูกต้อง

Clinical relevance

การบรรจุดีเอ็นเอมีอิทธิพลต่อยีนที่สามารถเข้าถึงได้และวิธีการสืบทอดจีโนมอย่างเสถียร และการจัดระเบียบโครมาตินเป็นหัวข้อสำคัญในอณูเวชศาสตร์และชีววิทยาพัฒนาการ บทความนี้อธิบายโครงสร้างเพื่อการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจทางคลินิกส่วนบุคคล

History

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 รูปแบบการย่อยทางชีวเคมีและภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนได้รวมกันเป็นแบบจำลองนิวคลีโอโซม ซึ่ง Kornberg ได้อธิบายไว้ในปี 1974 และ Olins และ Olins ได้แสดงให้เห็นเป็นหน่วยทรงกลมที่ซ้ำกันในปีเดียวกัน งานวิจัยในภายหลังได้ระบุลักษณะของฮิสโตนเชื่อมโยงและการพับในระดับที่สูงขึ้น และตั้งแต่ปี 2009 วิธีการจับโครงสร้างโครโมโซมก็เริ่มทำแผนที่ว่าจีโนมทั้งหมดพับตัวในสามมิติได้อย่างไร

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

นิวคลีโอโซมคืออะไร?

นิวคลีโอโซมคือหน่วยพื้นฐานที่ซ้ำกันของโครมาติน: ส่วนของดีเอ็นเอที่พันรอบแกนกลางของโปรตีนฮิสโตนแปดตัว สายของนิวคลีโอโซมจะพับตัวเป็นเส้นใยโครมาตินที่อัดแน่นยิ่งขึ้น

ทำไมดีเอ็นเอจึงจำเป็นต้องถูกบรรจุ?

ดีเอ็นเอในเซลล์มนุษย์เดี่ยวมีความยาวประมาณสองเมตรและต้องบรรจุอยู่ในนิวเคลียสขนาดเล็ก การบรรจุจะช่วยอัดแน่น ปกป้อง และจัดระเบียบดีเอ็นเอเพื่อให้ยีนที่ถูกต้องสามารถเข้าถึงได้เมื่อจำเป็น