CROMATINĂ: TIPURI, CARACTERISTICI, STRUCTURĂ, FUNCȚII - BIOLOGIE - 2025

Cromatinei este complexul format de ADN și proteine numai în organisme eucariote. În ceea ce privește proporția, conține aproape de două ori mai multe proteine ​​decât materialul genetic. Cele mai importante proteine ​​din acest complex sunt histonele - proteine ​​mici, încărcate pozitiv, care se leagă de ADN prin interacțiuni electrostatice. În plus, cromatina are mai mult de o mie de proteine, altele decât histonele.

Unitatea fundamentală a cromatinei este nucleozomul, care constă în unirea histonelor și ADN-ului. Acest aranjament amintește de margele de pe un colier. După parcurgerea tuturor nivelurilor superioare de organizare a ADN-ului, vom ajunge la cromozomi.

Sursa: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative lucrare: Gouttegd

Structura cromatinei este strâns legată de controlul exprimării genelor. Există două tipuri principale: euchromatină și heterocromatină.

Eucromatina se caracterizează prin a avea un grad scăzut de compactare, care se traduce prin niveluri ridicate de transcriere. În schimb, heterochromatina este inactivă transcripțional, datorită gradului mare de compactare.

Din punct de vedere structural există anumite mărci epigenetice ale histonelor tipice pentru ambele tipuri de cromatine. În timp ce euchromatina este asociată cu acetilarea, heterocromatina este asociată cu o scădere a grupelor chimice.

Există unele regiuni de heterocromatină cu funcții structurale, cum ar fi telomerele și centromerele.

Perspectiva istorica

Studiul materialului genetic și organizarea structurală a acestuia a început în 1831, când cercetătorul Robert Brown a descris nucleul. Una dintre întrebările imediate la această descoperire a fost să se intereseze despre natura biologică și chimică a acestei structuri.

Aceste întrebări au început să fie elucidate între 1870 și 1900, cu experimentele lui Friedrich Miescher, care a introdus cuvântul nucleină. Cu toate acestea, Walther Flemming modifică termenul și folosește cromatina pentru a se referi la substanța nucleară.

Odată cu trecerea timpului, se începe să cunoască mai profund materialul genetic și proprietățile acestuia. Abia în 1908, cercetătorul italian Pasquale Baccarini a observat că cromatina nu este omogenă și a reușit să vizualizeze corpuri mici din interiorul nucleului.

Tipurile de cromatine - euchromatină și heterocromatină - au fost inițial propuse de Emil Heitz în 1928. Pentru a stabili această clasificare, Heitz s-a bazat pe utilizarea petelor.

În 1974, biologul Roger Kornberg a propus un model pentru organizarea materialului genetic în structuri cunoscute sub numele de nucleozomi, ipoteză confirmată empiric de experimentele lui Markus Noll.

Ce este cromatina?

Componentele cromatinei: ADN și proteine

Cromatina este o nucleoproteină formată prin unirea materialului genetic - ADN - cu un set eterogen de proteine. Această asociere este extrem de dinamică și capătă o conformație tridimensională complexă care îi permite să își îndeplinească funcțiile de reglementare și structură.

Una dintre cele mai importante proteine ​​din cromatină sunt histonele, care se găsesc aproape în aceeași proporție cu ADN-ul.

Histonele sunt proteine ​​de bază, conservate remarcabil de-a lungul istoriei evolutive a ființelor organice - adică histonele noastre nu variază mult în comparație cu cele ale altor mamifere, chiar și cu un alt animal mai îndepărtat filogenetic.

Sarcina histonelor este pozitivă, astfel încât acestea pot interacționa prin forțe electrostatice cu sarcina negativă a coloanei vertebrale fosfat prezentă în ADN. Există cinci tipuri de histone și anume: H1, H2A, H2B, H3 și H4.

Există, de asemenea, o serie de proteine ​​de altă natură decât histonele care participă la compactarea ADN-ului.

Compactarea ADN-ului: nucleozomi

Unitatea de bază a cromatinei sunt nucleozomii - structuri repetitive alcătuite din ADN și histone, o conformație găsită în materialul genetic.

Helix dublu ADN este înfășurat într-un complex de opt histone cunoscute sub numele de histon octamer. Molecula se înfășoară în aproximativ două viraje, urmată de o regiune scurtă (între 20 și 60 de perechi de baze) care separă nucleosomii unul de celălalt.

Pentru a înțelege această organizație, trebuie să avem în vedere că molecula de ADN este extrem de lungă (aproximativ 2 metri) și trebuie înfășurată într-un mod ordonat pentru a se stabili în nucleu (al cărui diametru este de 3 până la 10 um). În plus, trebuie să fie disponibil pentru replicare și transcriere.

Acest obiectiv este atins cu diferite niveluri de compactare a ADN-ului, primii fiind nucleozomii menționați anterior. Acestea seamănă cu mărgelele de pe un colier de perle. Aproximativ 150 de perechi de baze de ADN sunt rănite la domiciliu „numărări”.

Nu există povești adevărate în bacterii. În schimb, există o serie de proteine ​​care amintesc de histone și se presupune că acestea contribuie la ambalarea ADN-ului bacterian.

Organizare de vârf

Organizarea cromatinei nu este restricționată la nivelul nucleozomilor. Această asociere de proteine ​​și ADN sunt grupate într-o structură mai groasă de aproximativ 30 nm - din cauza acestei grosimi este denumită nivelul de „30 nm fibră”.

Cromatina organizată în grosimea de 30 nm este organizată sub formă de bucle care se extind într-un fel de eșafod de natură proteică (nu histone).

Acesta este modelul folosit în prezent, deși se așteaptă mecanisme de compactare mai complexe. Organizarea finală constă în cromozom.

Erori în organizarea cromatinei

Compactarea și organizarea materialului genetic este vitală pentru multiple funcții biologice. Diferite afecțiuni medicale au fost asociate cu erori în structura cromatinei, printre care, printre altele, talasemia alfa legată de X, sindromul Rubinstein-Taybi, sindromul Coffin-Lowry, sindromul Rett.

Tipuri de cromatină

Există două tipuri de cromatină în celulă, dezvăluite prin aplicarea petelor: euchromatină (cromatină „adevărată”) și heterochromatină. În primul caz, colorarea este slab observată, în timp ce în al doilea colorarea este intensă.

Această organizație structurală a ADN-ului este unică pentru organismele eucariote și este crucială pentru comportamentul cromozomilor și reglarea expresiei genice.

Dacă evaluăm proporțiile ambelor tipuri de cromatine într-o celulă aflată în interfază, descoperim că aproximativ 90% din cromatină este euchromatină, iar restul de 10% corespunde heterochromatinei. Vom descrie fiecare tip în detaliu mai jos:

I. heterocromatină

caracteristici

Principala diferență care există între ambele tipuri de cromatină este legată de gradul de compactare sau „ambalare” a moleculei în timpul etapelor specifice în diviziunea celulară.

Deși materialul genetic pare a fi împrăștiat la întâmplare în interfață, nu este în acest fel.

Există o organizare semnificativă în acest stadiu, în care o partiție diferențială a materialului cromozomial poate fi văzută în cadrul nucleului.

ADN-ul cromozomilor nu se întrepătrunde cu catena ADN a altor cromozomi și rămâne în regiuni specifice numite teritorii cromozomiale. Această organizație pare să contribuie la exprimarea genelor.

Heterochromatina este puternic condensată, ceea ce o face inaccesibilă mașinii de transcriere - deci nu este transcrisă. De asemenea, este sărac din punct de vedere al numărului de gene pe care le are.

Tipuri de heterocromatină

Anumite regiuni ale heterocromatinei sunt persistente în întreaga linie celulară - adică se va comporta întotdeauna ca heterocromatină. Acest tip de heterocromatină este cunoscut ca fiind constitutiv. Un exemplu în acest sens sunt regiunile condensate ale cromozomilor numiți centromeri și telomere.

În schimb, există porțiuni de heterocromatină care pot varia nivelul de compactare ca răspuns la modificările modelelor de dezvoltare sau a variabilelor de mediu.

Datorită noilor studii, această concepție este reformulată și acum există dovezi că heterocromatina constitutivă este, de asemenea, dinamică și capabilă să răspundă la stimuli.

Structura

Unul dintre factorii care determină structura cromatinei este modificările chimice ale histonelor. În cazul cromatinei care este inactivă transcripțional, acestea prezintă histone hipoacetilate.

Scăderea numărului de grupări acetil este asociată cu reducerea silentei genice, deoarece nu maschează sarcina pozitivă a lizinelor, permițând o interacțiune electrostatică puternică între ADN și histone.

O altă marcă epigenetică este metilarea. Cu toate acestea, deoarece adăugarea unei grupări metil nu modifică încărcarea proteinei, consecința acesteia (activarea sau dezactivarea genelor) nu este atât de evidentă și va depinde de regiunea histonei unde se găsește marca.

În mod empiric, s-a constatat că metilarea H3K4me3 și H3K36me3 este asociată cu activarea genelor și cea a H3K9me3 și H3K27me3.

Caracteristici

În exemplul heterocromatinei constitutive amintim centromerul. Această regiune cromozomială are un rol structural și contribuie la mișcarea cromozomilor atât în ​​timpul evenimentelor de divizare a celulelor mitotice, cât și a celor meiotice.

II. eucromatină

caracteristici

Spre deosebire de heterocromatină, euchromatina este o moleculă mai puțin compactă, astfel încât aparatul de transcripție are acces ușor (în special enzima ARN polimerază) și poate fi exprimat activ genetic.

Structura

Structura unui nucleozom al unei cromatine transcripțional active este caracterizată de histone acetilate. Prezența lizinelor monometilate este, de asemenea, asociată cu activarea genelor.

Adăugarea unei grupe acetil la aceste reziduuri de histină lizină neutralizează încărcarea pozitivă a aminoacidului menționat. Consecința imediată a acestei modificări este reducerea interacțiunilor electrostatice între histonă și ADN, generând o cromatină mai slabă.

Această modificare structurală permite interacțiunile materialului genetic cu aparatura transcripțională, care se caracterizează prin a fi deosebit de voluminoase.

Caracteristici

Eucromatina cuprinde toate genele care sunt active și reușesc să fie atinse de utilajul enzimatic legat de transcriere. Prin urmare, funcțiile sunt la fel de ample ca și funcțiile genelor implicate.

Referințe

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterochromatină și controlul epigenetic al expresiei genice. știință, 301 (5634), 798-802.
2. Jost, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). Heterochromatină și poziționarea genelor: în interior, în exterior, în orice parte ?. Cromosom, 121 (6), 555–563.
3. Lewin, B. (2008). Genele IX. Edituri Jones și Bartlett.
4. Tollefsbol, TO (2011). Manual de epigenetică. Presă academică.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). Noi perspective asupra reglementării heterocromatinei. Tendințe în genetică: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). O imagine de ansamblu a proteinelor care reglementează cromatina în celule. Știința actuală a proteinelor și peptidelor, 17 (5), 401–410.