Cấu trúc và khả năng tiếp cận của chất nhiễm sắc
Chất nhiễm sắc (chromatin) là phức hợp của DNA và protein, chủ yếu là histone, có chức năng đóng gói bộ gen của sinh vật nhân chuẩn bên trong nhân tế bào. Cấu trúc của nó không phải là một dạng lưu trữ thụ động: bằng cách xác định những đoạn DNA nào được phơi bày và những đoạn nào bị che khuất, chất nhiễm sắc điều chỉnh liệu các gen có thể được đọc, sao chép hay sửa chữa hay không. Lĩnh vực này định hướng cho người đọc về cách bộ gen được tổ chức, nén chặt và được tiếp cận một cách chọn lọc.
Definition
Chất nhiễm sắc là phức hợp đại phân tử của DNA bộ gen quấn quanh các protein histone, được tổ chức thành nucleosome và các nếp gấp bậc cao hơn, trạng thái nén chặt của nó quyết định khả năng tiếp cận của DNA đối với các protein có chức năng phiên mã, sao chép và sửa chữa nó.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các khối cấu tạo và tổ chức bậc cao của chất nhiễm sắc, cũng như nguyên tắc tiếp cận liên kết cấu trúc với chức năng bộ gen. Nó giới thiệu nucleosome và octamer histone, các phức hợp tái cấu trúc phụ thuộc ATP có chức năng định vị lại hoặc loại bỏ nucleosome, sự phân chia rộng rãi giữa euchromatin cho phép phiên mã và heterochromatin ức chế, cũng như vị trí và động lực của nucleosome định hình các cảnh quan điều hòa. Nó coi chất nhiễm sắc là một chủ đề cấu trúc và điều hòa trong lĩnh vực biểu sinh và không phải là hướng dẫn lâm sàng.
Sub-topics
Core questions
- Làm thế nào để khoảng hai mét DNA được đóng gói vào một nhân tế bào trong khi vẫn có thể đọc được một cách chọn lọc?
- Điều gì phân biệt chất nhiễm sắc có thể tiếp cận (mở) với chất nhiễm sắc nhỏ gọn, không thể tiếp cận?
- Các tế bào thay đổi trạng thái chất nhiễm sắc như thế nào để bật hoặc tắt gen mà không làm thay đổi trình tự DNA?
Key concepts
- Nucleosome và octamer histone
- Khả năng tiếp cận DNA (chất nhiễm sắc mở so với đóng)
- Euchromatin và heterochromatin
- Sự nén chặt chất nhiễm sắc và gấp cuộn bậc cao hơn
- Tái cấu trúc chất nhiễm sắc phụ thuộc ATP
- Vị trí và sự chiếm giữ của nucleosome
Key theories
- Nucleosome là đơn vị lặp lại cơ bản
- Chất nhiễm sắc được xây dựng từ một hạt lặp lại trong đó khoảng 147 cặp bazơ DNA quấn quanh một octamer của các histone lõi; đơn vị này, được Luger và các đồng nghiệp giải quyết về mặt cấu trúc, là cơ sở cho tất cả các đóng gói bậc cao hơn và để điều hòa khả năng tiếp cận DNA.
Mechanisms
Bộ gen được nén chặt trước tiên bằng cách quấn DNA quanh các octamer histone để tạo thành nucleosome, sau đó được gấp lại thành các cấu trúc bậc cao hơn. Liệu một locus nhất định có thể tiếp cận được hay không phụ thuộc vào việc các nucleosome có che khuất nó hay không, vào các biến đổi hóa học trên đuôi histone, và vào hoạt động của các phức hợp tái cấu trúc phụ thuộc ATP có chức năng trượt, loại bỏ hoặc tái cấu trúc nucleosome. Các vùng có thể tiếp cận thường trùng với các promoter và enhancer hoạt động, nơi chất nhiễm sắc bị thiếu hụt nucleosome cục bộ, trong khi các vùng đóng gói dày đặc thường im lặng về mặt phiên mã. Vì khả năng tiếp cận có thể đảo ngược và di truyền qua quá trình phân chia tế bào mà không làm thay đổi trình tự DNA, cấu trúc chất nhiễm sắc là một cơ chất trung tâm của điều hòa biểu sinh.
Clinical relevance
Tổ chức chất nhiễm sắc là nền tảng cho cách các loại tế bào có bộ gen giống hệt nhau biểu hiện các gen khác nhau, và các rối loạn cấu trúc chất nhiễm sắc được nghiên cứu trong ung thư, rối loạn phát triển và lão hóa. Hiểu biết về khả năng tiếp cận của chất nhiễm sắc cũng định hình các phương pháp như ATAC-seq để lập hồ sơ các vùng điều hòa trên các mô. Mục này là một định hướng tham khảo về tổ chức bộ gen và không cung cấp hướng dẫn chẩn đoán hoặc điều trị.
History
Tổ chức nucleosome lặp lại của chất nhiễm sắc được thiết lập vào giữa những năm 1970, khi Kornberg đề xuất rằng DNA và histone tạo thành một đơn vị lặp lại đều đặn. Cấu trúc nguyên tử của hạt nhân nucleosome, được Luger và các đồng nghiệp giải quyết vào năm 1997, đã tiết lộ chính xác cách DNA quấn quanh octamer histone và cung cấp một nền tảng cấu trúc để nghiên cứu khả năng tiếp cận và biến đổi. Công trình tiếp theo đã tích hợp chất nhiễm sắc vào một khuôn khổ hoạt động rộng hơn của biểu sinh và liên kết cấu trúc của nó với kiểm soát phiên mã.
Key figures
- Roger Kornberg
- Karolin Luger
- Timothy Richmond
- Jane Mellor
Related topics
Seminal works
- kornberg-1974
- luger-1997
- li-2007
Frequently asked questions
- Sự khác biệt giữa chất nhiễm sắc và DNA là gì?
- DNA là axit nucleic mang thông tin di truyền; chất nhiễm sắc là phức hợp lớn hơn của DNA đó cùng với các protein histone và non-histone có chức năng đóng gói và tổ chức nó bên trong nhân tế bào.
- Tại sao khả năng tiếp cận của chất nhiễm sắc lại quan trọng đối với biểu hiện gen?
- Các protein đọc và phiên mã gen chỉ có thể hoạt động trên DNA mà chúng có thể tiếp cận. Chất nhiễm sắc mở, có thể tiếp cận cho phép bộ máy này liên kết, trong khi chất nhiễm sắc nhỏ gọn có xu hướng giữ cho gen im lặng, vì vậy khả năng tiếp cận là một điểm kiểm soát chính cho việc gen nào hoạt động.