Wikipedia

Solenoid (DNK)

Struktura solenoidnog hromatina je model za strukturu 30 vlakna debljine nm. To je sekundarna struktura hromatina koja pomaže u pakovanju eukariotske DNK u jedru.

Solenoidna struktura: Hromatinsko vlakno debljine 30 nm

Pozadina

uredi

Hromatin je prvi otkrio Walther Flemming, koristeći anilinske boje za bojenje. Godine 1974., Roger Kornberg je prvi predložio da se hromatin zasniva na ponavljajućoj jedinici zvanoj histonski oktamer i oko 200 parova baza DNK.[1]

Model solenoida prvi su predložili John Finch i Aaron Klug 1976. Koristili su elektronskomikroskopske slike i uzorke difrakcije rendgenskih zraka da odrede svoj model strukture.[2] Ovo je bio prvi model koji je predložen za strukturu vlakna od 30 nm.

Struktura

uredi
 
Soleniidne strukture u okviru hromatina

DNK u jedru je omotana oko nukleosom a, koji su histonski oktameri formirani od proteinskog jezgra histona; dva histonska H2A-H2B dimera, dva H3 proteina i dva H4 proteina. Primarna struktura hromatina, najmanje zbijeni oblik, je oblik od 11 nm, ili "perle na niti", gdje je DNK omotana oko nukleosoma u relativno pravilnim intervalima, kao što je predložio Roger Kornberg.

Histonski H1 protein se vezuje za mjesto gdje DNK ulazi i izlazi iz nukleosoma, obavijajući 147 parova baza oko histonskog jezgra i stabilizirajući nukleosom,[3] ova struktura je hromatosom.[4] U solenoidnoj strukturi, nukleosomi se savijaju i slažu, formirajući spiralu. Povezani su savijenom linkerskom DNK koja pozicionira sekvencne nukleosome jedan uz drugog u heliksu. Nukleosomi su postavljeni tako da su proteini histona H1 okrenuti prema centru gdje formiraju polimeri.[3] Finch i Klug su utvrdili da spiralna struktura ima samo jednu početnu tačku jer su uglavnom posmatrali mali nagibni uglovi od 11 nm,[2] što je otprilike istog prečnika kao nukleosom. U svakom zavoju spirale, postoji otprilike 6 nukleosoma.[2] Finch i Klug su zapravo primijetili širok raspon nukleosoma prema okretu, ali su to sveli na spljoštenje.[2]

Finchove i Klugove elektronskomikroskopske slike su imale nedostatak vidljivih detalja pa nisu mogli odrediti spiralne parametre osim koraka.[2] Novije slike elektronske mikroskopije su mogle definirati dimenzije solenoidnih struktura i identificirao ga je kao lijevostranu spiralu.[5] Struktura solenoida je neosjetljiva na promjene u dužini linkera DNK.

Funkcija

uredi

Najočiglednija funkcija solenoidne strukture je da pomogne u pakovanju DNK, tako da bude dovoljno mala da stane u ćelijsko jedro. Ovo je veliki zadatak jer sisarsko jedro ima prečnik od približno 6 µm, dok bi se DNK u jednoj ljudskoj ćeliji proteže na nešto više od 2 metra ako bi se odmotala.[6] Struktura "perle na niti" može komprimirati DNK na 7 puta manju.[1] Struktura solenoida može povećati ovo da bude 40 puta manja.[2]

Kada je DNK sabijena u solenoidnu strukturu i dalje može biti transkripcijski aktivna u određenim područjima.[7] Sekundarna struktura hromatina je važna za ovu transkripcijsku represiju jer su in vivo aktivni geni sastavljeni u velike tercijarne strukture hromatina.[7]

Formiranje

uredi

Postoji mnogo faktora koji utiču na to da li će se struktura solenoida formirati ili ne. Neki faktori mijenjaju strukturu vlakna od 30 nm, a neki sprječavaju da se on uopće formira u tom području.

Koncentracija iona, posebno divalentnih kationa utiče na strukturu 30 nm vlakna,[8] zbog čega Finch i Klug nisu bili u stanju da formiraju solenoidne strukture u prisustvu helatnih agenasa.[2]

Na površini proteinskih histona H2A i histona H2B postoji kiseli dio koji stupa u interakciju s repovima histonskih H4 proteina u susjednim nukleosomima.[9] Ove interakcije su važne za formiranje solenoida.[9] Varijante histona mogu uticati na formiranje solenoida, na primjer H2A.Z je histonska varijanta H2A, i ima kiseliji dio od onog na H2A, tako da bi H2A.Z imao jaču interakciju sa histonskim H4 repovima i vjerovatno doprinio formiranju solenoida.[9]

Rep histona H4 neophodan je za formiranje 30 nm vlakana.[9] Međutim, acetilacija jezgrara histonskih repova utiče na savijanje hromatina, destabilizirajući interakcije između DNK i nukleosoma, čineći modulaciju histona ključnim faktorom u strukturi solenoida.[9] Acetilacija H4K16 (lizin koji je 16. aminokiselina N-terminala histona H4) inhibira formiranje vlakana od 30 nm.[10]

Da bi se dekomprimiralo vlakno od 30 nm, naprimjer da bi se aktiviralo transkripcijski, potrebna je i acetilacija H4K16 i uklanjanje histonskih H1 proteina.[11]

Daljnje pakovanje

uredi

Hromatin može formirati tercijarnu hromatinsku strukturu i biti zbijen čak i dalje od solenoidne strukture, formiranjem superspirala prečnika oko 700 nm.[12] Ovaj superzavoj je formiran od regiona DNK koji se nazivaju regije pričvršćivanja skele/matrice (SMAR-i) koji se vežu za centralnu matricu skele u jedru stvarajući petlje solenoidnog hromatina duge između 4,5 i 112 kilobaznih parova.[12] Sama centralna matrica skele formira spiralni oblik za dodatni sloj zbijanja.[12]

Alternativni modeli

uredi
 
Model solenoida (lijevo) i model upredene trake sa dva starta (desno) vlakna od 30 nm, koji prikazuje samo DNK.

Predloženo je nekoliko drugih modela i još uvijek postoji mnogo nesigurnosti oko strukture vlakna debljine 30 nm.

Čak i novija istraživanja daju oprečne informacije. Postoje podaci iz elektronskomikroskopskih mjerenja dimenzija vlakana od 30 nm koji imaju fizička ograničenja, što znače da se može modelirati samo sa spiralnom strukturom s jednim startom kao što je solenoidna struktura.[5] To također pokazuje da tamo nema linearnog odnosa između dužine linkera DNK i dimenzija (umjesto toga postoje dvije različite klase).[5] Postoje i podaci iz eksperimenata u kojima su nukleosomi umreženi, što pokazuje strukturu sa dva starta.[13] Postoje dokazi koji sugeriraju da su i solenoidne i cik-cak (dvopočetne) strukture prisutne u vlaknima od 30 nm.[14] Moguće je da struktura hromatina nije tako uređena kao što se mislilo,[15] ili da vlakno od 30 nm možda čak i nije prisutno in situ.[16]

Dvostartni model sa upredenom vrpcom

uredi

Model upredene vrpce s dva starta predložili su 1981. Worcel, Strogatz i Riley.[17] Ova struktura uključuje naizmjenično slaganje nukleosoma, kako bi se formirale dvije paralelne spirale, pri čemu se linker DNK kreće cik-cak gore-dolje po zavojnoj osi.

Model unakrsnog povezivanja sa dva starta

uredi

Model unakrsnog povezivanja s dva starta predložili su Williams et al, 1986.[18] Ova struktura, poput modela upredene vrpce s dva početka, uključuje naizmjenično slaganje nukleosoma, kako bi se formirale dvije paralelne spirale, ali nukleosomi su na suprotnim stranama spirala s linkerima DNK koji prelazi preko centra spiralne ose.

Model superperli

uredi

Model superperle je predložio Renz 1977.[19] Ova struktura nije spiralna kao drugi modeli, ona se umjesto toga sastoji od diskretnih globulastih struktura duž hromatina koje variraju po veličini.[20]

Neki alternativni oblici pakovanja DNK

uredi

Hromatin u spermi sisara je najkondenziraniji oblik eukariotske DNK, pakiran je od protamina, a ne nukleosoma,[21] dok prokarioti pakuju svoju DNK u superspiralu.

Reference

uredi
  1. ^ a b Kornberg, R. D. (24. 5. 1974). "Chromatin Structure: A Repeating Unit of Histones and DNA". Science. 184 (4139): 868–871. Bibcode:1974Sci...184..868K. doi:10.1126/science.184.4139.868. PMID 4825889.
  2. ^ a b c d e f g Finch, J. T.; Klug, A. (juni 1976). "Solenoidal model for superstructure in chromatin". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 73 (6): 1897–901. Bibcode:1976PNAS...73.1897F. doi:10.1073/pnas.73.6.1897. PMC 430414. PMID 1064861.
  3. ^ a b Thoma, F.; Koller, T.; Klug, A. (1. 11. 1979). "Involvement of histone H1 in the organization of the nucleosome and of the salt-dependent superstructures of chromatin". The Journal of Cell Biology. 83 (2): 403–427. CiteSeerX 10.1.1.280.4231. doi:10.1083/jcb.83.2.403. PMC 2111545. PMID 387806.
  4. ^ Tropp, Burton E. (2012). Molecular Biology, Chapter 6: Chromosome Structure (jezik: engleski) (4 izd.). Jones & Bartlett Publishers. str. 210–252. ISBN 9780763786632.
  5. ^ a b c Robinson, P. J. J.; Fairall, L.; Huynh, V. A. T.; Rhodes, D. (14. 4. 2006). "EM measurements define the dimensions of the "30-nm" chromatin fiber: Evidence for a compact, interdigitated structure". Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (17): 6506–6511. Bibcode:2006PNAS..103.6506R. doi:10.1073/pnas.0601212103. PMC 1436021. PMID 16617109.
  6. ^ Walter, Peter; Roberts, Keith; Raff, Martin; Lewis, Julian; Johnson, Alexander; Alberts, Bruce (2002). Bruce Alberts; Alexander Johnson; Julian Lewis; Martin Raff; Keith Roberts; Peter Walter (ured.). Molecular Biology of the Cell, Chapter 4: DNA and Chromosomes, Chromosomal DNA and Its Packaging in the Chromosome (4th izd.). Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  7. ^ a b Zhou, Jiansheng; Fan, Jun Y; Rangasamy, Danny; Tremethick, David J (28. 10. 2007). "The nucleosome surface regulates chromatin compaction and couples it with transcriptional repression". Nature Structural & Molecular Biology. 14 (11): 1070–1076. doi:10.1038/nsmb1323. PMID 17965724. S2CID 40546856.
  8. ^ Walker, P. R.; Sikorska, M.; Whitfield, J. F. (25. 5. 1986). "Chromatin structure. Nuclease digestion profiles reflect intermediate stages in the folding of the 30-nm fiber rather than the existence of subunit beads". Journal of Biological Chemistry (jezik: engleski). 261 (15): 7044–7051. doi:10.1016/S0021-9258(19)62719-5. ISSN 0021-9258. PMID 3700426.
  9. ^ a b c d e Li, Guohong; Zhu, Ping (7. 10. 2015). "Structure and organization of chromatin fiber in the nucleus". FEBS Letters. 589 (20PartA): 2893–2904. doi:10.1016/j.febslet.2015.04.023. PMID 25913782.
  10. ^ Shogren-Knaak, M. (10. 2. 2006). "Histone H4-K16 Acetylation Controls Chromatin Structure and Protein Interactions". Science. 311 (5762): 844–847. Bibcode:2006Sci...311..844S. doi:10.1126/science.1124000. PMID 16469925. S2CID 11079405.
  11. ^ Robinson, Philip J.J.; An, Woojin; Routh, Andrew; Martino, Fabrizio; Chapman, Lynda; Roeder, Robert G.; Rhodes, Daniela (septembar 2008). "30 nm Chromatin Fibre Decompaction Requires both H4-K16 Acetylation and Linker Histone Eviction". Journal of Molecular Biology. 381 (4): 816–825. doi:10.1016/j.jmb.2008.04.050. PMC 3870898. PMID 18653199.
  12. ^ a b c Griffiths, A. J. F.; Miller, J. H.; Suzuki, D. T.; Lewontin, R. C.; Gelbart, W. M. (2000). An introduction to genetic analysis, Chapter 3: Chromosomal Basis of Heredity, Three-dimensional structure of chromosomes (jezik: engleski) (7. ed., 1. print. izd.). New York: W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5.
  13. ^ Dorigo, B. (26. 11. 2004). "Nucleosome Arrays Reveal the Two-Start Organization of the Chromatin Fiber". Science. 306 (5701): 1571–1573. Bibcode:2004Sci...306.1571D. doi:10.1126/science.1103124. PMID 15567867. S2CID 20869252.
  14. ^ Grigoryev, S. A.; Arya, G.; Correll, S.; Woodcock, C. L.; Schlick, T. (27. 7. 2009). "Evidence for heteromorphic chromatin fibers from analysis of nucleosome interactions". Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (32): 13317–13322. Bibcode:2009PNAS..10613317G. doi:10.1073/pnas.0903280106. PMC 2726360. PMID 19651606.
  15. ^ Luger, K.; Dechassa, M. L.; Tremethick, D. J. (22. 6. 2012). "New insights into nucleosome and chromatin structure: an ordered state or a disordered affair?". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 13 (7): 436–447. doi:10.1038/nrm3382. PMC 3408961. PMID 22722606.
  16. ^ Fussner, E.; Ching, R. W.; Bazett-Jones, D. P. (januar 2011). "Living without 30nm chromatin fibers". Trends in Biochemical Sciences. 36 (1): 1–6. doi:10.1016/j.tibs.2010.09.002. PMID 20926298.
  17. ^ Worcel, A.; Strogatz, S.; Riley, D. (2001). "Structure of chromatin and the linking number of DNA". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 78 (3): 1461–5. arXiv:cond-mat/0007235. Bibcode:1981PNAS...78.1461W. doi:10.1073/pnas.78.3.1461. PMC 319150. PMID 6940168.
  18. ^ Williams, S. P.; Athey, B. D.; Muglia, L. J.; Schappe, R. S.; Gough, A. H.; Langmore, J. P. (januar 1986). "Chromatin fibers are left-handed double helices with diameter and mass per unit length that depend on linker length". Biophysical Journal. 49 (1): 233–48. Bibcode:1986BpJ....49..233W. doi:10.1016/S0006-3495(86)83637-2. PMC 1329627. PMID 3955173..
  19. ^ Renz, M.; Nehls, P.; Hozier, J. (1. 5. 1977). "Involvement of histone H1 in the organization of the chromosome fiber". Proceedings of the National Academy of Sciences (jezik: engleski). 74 (5): 1879–1883. Bibcode:1977PNAS...74.1879R. doi:10.1073/pnas.74.5.1879. ISSN 0027-8424. PMC 431035. PMID 266711.
  20. ^ Zentgraf, H (1. 7. 1984). "Differences of supranucleosomal organization in different kinds of chromatin: cell type-specific globular subunits containing different numbers of nucleosomes". The Journal of Cell Biology. 99 (1): 272–286. doi:10.1083/jcb.99.1.272. PMC 2275636. PMID 6736129.
  21. ^ Braun, Robert E. (1. 5. 2001). "Packaging paternal chromosomes with protamine". Nature Genetics. 28 (1): 10–12. doi:10.1038/88194. PMID 11326265.

Vanjski linkovi

uredi
Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Solenoid_(DNK)&oldid=3485730"