Cấu trúc nhiễm sắc thể và sự đóng gói DNA

Cấu trúc nhiễm sắc thể và sự đóng gói DNA giải thích cách các phân tử DNA dài của bộ gen được nén chặt, tổ chức và trở nên dễ tiếp cận bên trong nhân tế bào. Sự đóng gói bắt đầu bằng việc DNA quấn quanh các protein histone để tạo thành nucleosome và tiếp tục thông qua các cấp độ gấp cuộn cao hơn thành chất nhiễm sắc (chromatin) và, khi tế bào phân chia, thành các nhiễm sắc thể cô đặc.

Definition

Đóng gói nhiễm sắc thể là sự tổ chức phân cấp của DNA bộ gen với các protein, bắt đầu bằng các nucleosome (DNA quấn quanh phức hợp tám histone) và mở rộng đến các sợi chất nhiễm sắc cô đặc và các nhiễm sắc thể cô đặc, cùng nhau giúp bộ gen vừa vặn trong nhân trong khi điều hòa sự tiếp cận với DNA.

Scope

Mục này bao gồm nucleosome như đơn vị lặp lại của chất nhiễm sắc, các protein histone và phức hợp tám histone (histone octamer), các histone liên kết và sự gấp cuộn bậc cao hơn, sự phân biệt giữa các trạng thái chất nhiễm sắc cô đặc hơn và ít cô đặc hơn, và sự gấp cuộn bộ gen quy mô lớn bên trong nhân. Đây là một chủ đề tham khảo về cấu trúc và không đưa ra hướng dẫn lâm sàng.

Key concepts

• Nucleosome (đơn vị lặp lại của chất nhiễm sắc)
• Phức hợp tám histone (H2A, H2B, H3, H4)
• Histone liên kết H1
• Sợi chất nhiễm sắc và sự gấp cuộn bậc cao hơn
• Euchromatin và heterochromatin
• Các miền liên kết topo
• Sự cô đặc nhiễm sắc thể trong nguyên phân

Mechanisms

Đơn vị đóng gói cơ bản là nucleosome, trong đó khoảng 147 cặp bazơ DNA quấn gần hai vòng quanh một lõi tám protein gồm hai bản sao của mỗi histone H2A, H2B, H3 và H4; sự sắp xếp chuỗi hạt lặp lại này đã được Kornberg xác định và được Olins và Olins hình dung. Một histone liên kết (H1) gắn vào nơi DNA đi vào và đi ra khỏi nucleosome và thúc đẩy sự gấp cuộn thành một sợi chất nhiễm sắc cô đặc hơn. Các cấp độ gấp cuộn và hình thành vòng lặp liên tiếp tổ chức chất nhiễm sắc thành các miền, và các phương pháp cấu hình nhiễm sắc thể như Hi-C cho thấy các bộ gen ở kỳ trung gian được phân chia thành các miền và ngăn topological tự tương tác. Mức độ cô đặc khác nhau giữa chất nhiễm sắc hoạt động phiên mã, mở hơn và chất nhiễm sắc cô đặc, thường bị ức chế, và toàn bộ bộ gen được cô đặc tối đa thành các nhiễm sắc thể riêng biệt trong quá trình nguyên phân để cho phép phân tách chính xác.

Clinical relevance

Cách DNA được đóng gói ảnh hưởng đến việc gen nào có thể tiếp cận được và cách bộ gen được di truyền ổn định, và tổ chức chất nhiễm sắc là một chủ đề chính trong y học phân tử và sinh học phát triển. Mục này mô tả cấu trúc để tham khảo và không phải là cơ sở cho các quyết định lâm sàng cá nhân.

History

Vào đầu những năm 1970, các mô hình tiêu hóa sinh hóa và hình ảnh hiển vi điện tử đã hội tụ về mô hình nucleosome, được Kornberg trình bày vào năm 1974 và được Olins và Olins hình dung là các đơn vị hình cầu lặp lại cùng năm. Các công trình sau này đã mô tả đặc điểm của các histone liên kết và sự gấp cuộn bậc cao hơn, và từ năm 2009, các phương pháp bắt giữ cấu hình nhiễm sắc thể bắt đầu lập bản đồ cách toàn bộ bộ gen gấp cuộn trong không gian ba chiều.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Nucleosome là gì?

Nucleosome là đơn vị lặp lại cơ bản của chất nhiễm sắc: một đoạn DNA quấn quanh lõi gồm tám protein histone. Các chuỗi nucleosome gấp cuộn thành các sợi chất nhiễm sắc cô đặc hơn.

Tại sao DNA cần được đóng gói?

DNA trong một tế bào người dài khoảng hai mét và phải nằm gọn trong một nhân tế bào siêu nhỏ; sự đóng gói giúp nén chặt, bảo vệ và tổ chức nó để các gen phù hợp có thể được tiếp cận khi cần thiết.