Kompaktiranje kromosomov

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.