Kompaktiranje kromosomov

Evkariontska DNA je v jedru organizirana v kromatin. Podenota kromatina je nukleosom, ki ga sestavlja 145-147 bp dolga DNA ovita okoli histonskega oktamera. Vsak histon ima majhno N-končno domeno, ki je nestrukturirana in izpostavljena raztopini, preostali del strukture predstavljajo predvsem alfa vijačnice, ki tvorijo nukleosom.

Primarna Struktura kromatina

Povezovanje nukleosomov

Histon H1 je vezan na nukleosomalno DNA. Dolžina povezovalne DNA je regulirana s povezovalnimi histoni, ki so podvrsta H1. Primer podvrste je H5, ki se od H1 razlikuje v enem aminokislinskem ostanku, namesto Lys je vezan Arg. Zaradi zamenjave, H5 tesneje povezuje kromatin, to pa se odraža v transkripcijski in replikacijski neaktivnosti kromatina. Povezovalne histone sestavljata N- in C- končni roki bogati z bazičnimi ostanki. Ti izrastki interagirajo s povezovalno DNA in s tem povezujejo sosednje nukleosome, globularna domena histona pa ga veže na nukleosom. Nizi nukleosomov so zelo dinamični. Pri nizkih koncentracijah soli nizi nukleosomov izoblikujejo konformacijo kroglic na vrvi (beads-on-a-string). Zaradi interakcij med nukleosomi, pri fizioloških pogojih, se nizi nukleosomov pričnejo kondenzirati v zvite oligomerne strukture. Ena izmed pomembnejših domen, ki pripomore k pravilnemu kondenziranju in interagira z določeno regijo imenovano kislinski obliž (acidic patch) na sosednjem nukleosomu, je domena histona H4. Ta se veže z 16-24 ostanki v kislinski obliž. Kislinski obliž ima obliko ozkega utora in na dnu tvori hidrofobni žep. Sestavlja ga 8 ostankov, 6 ostankov H2A in 2 ostanka H2B, skupaj ustvarijo negativno nabito površino. Ta regija ni samo vezavno mesto za H4 domeno, ampak je tudi vezavno mesto za nukleosom vezavne proteine, kot so citokin interlevkin-33, HMGN2, LANA…

Sekundarna strukturna kromatina

Sekundarna struktura je struktura premera 30 nm, ki nastane z zvitjem nukleosomskega niza (primarna struktura). Zaradi omejenih mikroskopskih pristopov ter kompleksnosti strukture, je napredek v odkrivanju sekundarne strukture počasen, poleg tega pa so interpretacije dobljenih rezultatov različne. Povezovalna DNA zastopa različne dolžine, vse od 7 pa do 100 bp. Daljše (60 bp) omogočajo bolj odprto strukturo kromatina, krajše (20-32 bp) pa bolj kompaktno. Odstopanje nekaj bp pri daljši povezovalni DNA ne vpliva na zvijanje kromatina, pri krajši pa je vpliv večji. Poleg dolžine vpliva na kompaktiranje še internukleosomalni rotacijski kot med nukleosomoma, ki vpliva na zgoščevanje kromatina. Na osnovi rezultatov raziskav o organiziranosti kromatina in vitro, sta bila zasnovana dva modela CikCak ter solenoid.

CikCak

Cikcak model predstavlja interakcijo, kjer se med seboj povežejo n in n+2. nukleosom (lihi nukleosomi in sodi nukleosomi se povežejo skupaj v snop). Ob ovitju enega snopa okoli drugega, nastaneta dve levo smerni vijačnici oz. dvo-zvezdna vijačnica, ki ima 18,9 nukleosomov na obrat. Povezovalna DNA poteka sem ter tja med nukleosomi (potuje preko sredine »vlakna«) kar je mogoče samo zaradi odsotnosti povezovalnih histonov. Zaradi primanjkljaja povezovalnih histonov, je struktura bolj ohlapna in posledično bolj dostopna histonom in drugim proteinom.

Solenoid

Pri solenoidnem modelu se med seboj povezujejo sosednji nukleosomi (n in n+1), ki si sledijo v enojni levo smerni vijačnici oz. eno-zvezdni vijačnici. Ta struktura je bolj kompaktna, saj vsebuje povezovalne histone, posledično pa je manj dostopna drugim proteinom.

Terciarna struktura kromatina

Terciarna struktura nukleosomov v metafaznih kromosomih mora biti v veliki meri omejena in nenaključna. Učbeniški pogled je, da se kromosomi tvorijo z urejenim hierarhičnim zvijanjem 30 nm filamentov v zaporedna kondenzirana stanja zankastih oblik, to so najprej 100 nm in nato 200-250 nm filamenti, ki se še naprej zvijajo ali zlagajo glede na prejšnjo obliko kromatinskega filamenta. Ugotovljeno pa je bilo, da isti nukleosomi oz. DNA sekvence niso vedno na enakem položaju v metafaznem kromosomu, kar nakazuje da se kromosomi vsaj v neki stopnji kondenziranja oblikujejo neurejeno in naključno. Raziskave kažejo tudi na to, da se kromatinski filamenti zlagajo bolj radialno stran od centra kot pa longitudialno. Kromatinske zanke izhajajo iz linearne kromosomske osi. Raziskave kažejo, da so kromatinske zanke osnovne organizacijske enote kromosoma.

Oblikovanje zankastih domen

Celoten proces nastanka in vzdrževanja takšnih zankastih domen je nepoznan. Eden od možnih mehanizmov nastanka zank je tak, da se naključni polimeri prepletajo in povezujejo v zanke. Takšna razlaga odpove pri razlagi za nastanek večjih ponovljivih zank. Prav tako bi privedlo do kolapsa kromosomskih polimerov v sferično globulo. Ta t.i. polymer molt model torej ne more razložiti paličastih struktur kromatina v metafazi. Kromonemski model predpostavlja zanke, ki so stabilizirane z vezavo na nehistonske jedrne proteine ali na kondenzirane kromatine znotraj sosednjih kromonemski filamentov. Random/walk giant loop model upošteva obsežno agregacijo kromatina v DNA žarišćih. Model predvideva naključno vezavo kromatinskih domen velikosti 3 milijonov bp na nekromatinsko jedrno strukturo. Ta model pa ne upošteva prisotnosti manjših zank, ki pa jih zato multi-loop subcompartment model.

Krio-mikroskopska opažanja pokažejo homogene, zrnaste teksture in ne urejene periodične strukture kromosomov. Predpostavlja se da se zanke nepravilno zlagajo proti anizotropnem kromosomskemu scaffold-u, ki vsebuje veliko kondenzinov. Ta kolaps zank, bi lahko bil okrepljen s privlačnimi silami ponavljajočih sekvenc, ki so razpršene po celem genomu. Kompaktni nativni kromosom bi bil tako sestavljen primarno iz nepravilneg kromatinskega omrežja, ki je zamrežen z kondenzini in so izotropni in ne radialni. Po tem modelu kondenzini vežejo določene dele kromatina in naredijo zanke. Nato kondenzini naprej zamrežijo sosednje kromatinske zanke.

Faktorji, ki vplivajo na kompaktiranje

Pri nastanku zank, po vsej verjetnosti sodelujejo aktivatorski proteini. To sta npr. GATA1 in GATA3. GATA3 je pomemben za vzpostavitev in/ali vzdrževanje kromatinskih interakcij dolgega obsega. Modifikacije histonskih repov povzročijo regionalne spremembe v razporeditvi naboja v kromatinu, kar se naprej odraža v de/kondenzaciji kromatina. Višja kromosomska struktura je občutljiva na spremembe v ionski koncentraciji. Podobno bi lahko spremembe v acetilaciji, metilaciji in fosorilaciji histonskih repov spremenile interakcije med nukleosomi in/ali kromatinskimi filamenti. ACP-ji (Architectural chromatin proteins) pripomorejo tudi k modulaciji nukleosoma in kromatinske strukture. HP1 veže nukleosome in poveča interakcijo med njimi ter formacijo kompaktiranih sekundarnih struktur kromatina. HP1 lahko poveže dva metilirana repa H3 na različnih nukleosomih. MeCP2 prinese skupaj metilirane regije DNA. Tudi Polycomb compleks lahko organizira nukleosome v kompaktne strukture. Veliko število eksperimentov kaže na to da je kondenzacija kromosomov regulirana z fosforilacijo CDK1. Podaljšana aktivnost CDK1 vodi do hiperkondenzacije mitotskega kromosoma. Poleg proteinskih faktorjev naj bi bili tudi kationi bistveni za kondenzacijo kromosoma. V prisotnosti kationov pride do kondenzacije DNA zaradi nevtralizacije naboja, saj vezava kationov, na fosfate v DNA, zniža skupen elektrostatski odboj med sosednjimi DNA regijami.

Pomen SMC proteinov

SMC (Structural maintenance of chromosomes) proteini so dimerni proteini, ki tvorijo kompleks v obliki črke V. Glavna tipa SMC proteinov pri evkariontih sta kondenzin in kohezin. Kohezini sodelujejo pri povezovanju sestrskih kromatid takoj po replikaciji in ohranjajo povezanost le-teh med kondenzacijo kromosomov do metafaze. Kohezini naj bi, še s proteinom kleizinom, tvorili obroč okoli podvojenih kromosomov in jih povezovali skupaj dokler se ne ločijo pri celični delitvi. Ko celica vstopi v mitozo se kondenzini na DNA vežejo tako, da tvorijo pozitivna superzvitja DNA. SMC proteini vežejo DNA na svojo pregibno regijo iz česar lahko nastane intramolekularni SMC obroč. Vezava ATP na SMC protein pripelje do direktne združitve in tvorbe superzvitih zank v vezani DNA. Nadaljno preurejanje takšnih združitev pripelje do tvorbe še bolj kondenzirane DNA v t.i. rozetne oblike.Ugotovljeno pa je bilo da so se v vretenčarskih celicah, ki so jim močno zmanjšali koncentracijo kondenzinov , kromosomi kljub temu formirali, a so se nenormalno raztegnili ko so bili vezani na delitveno vreteno.

Viri

• Moser S.C. in Swedlow J.R. How to be a mitotic chromosome, Chromosome Research, 2011, letn. 19, str. 307-319.

• Maeshima K, in Eltsov Mikhail. Packaging the Genome: the Structure of Mitotic Chromosomes, Journal of Biochemistry, 2008, letn. 143, str. 145-153

• Grigoryev, S. A. Nucleosim spacing and chromatin higher-order folding. Nucleus, 2012, letn. 3, str. 493-499.

• Kalashnikova, A. A.; et al. The role of the nucleosome acidic patch in modulating higher order chromatin. Journal of royal society Interface, 2013, 10: 20121022.

• Voet D. in Voet J.G. Biochemistry. 4. izdaja. Wiley, 2010