CHROMATIN: ประเภทลักษณะโครงสร้างหน้าที่ - ชีววิทยา - 2025

โครมาติมีความซับซ้อนที่เกิดขึ้นจากดีเอ็นเอและโปรตีนเพียงในสิ่งมีชีวิต eukaryotic ในแง่ของสัดส่วนประกอบด้วยโปรตีนเกือบสองเท่าของสารพันธุกรรม โปรตีนที่สำคัญที่สุดในคอมเพล็กซ์นี้คือฮิสโตน - โปรตีนขนาดเล็กที่มีประจุบวกซึ่งจับกับดีเอ็นเอผ่านปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิต นอกจากนี้โครมาตินยังมีโปรตีนมากกว่าหนึ่งพันชนิดนอกเหนือจากฮิสโตน

หน่วยพื้นฐานของโครมาตินคือนิวคลีโอโซมซึ่งประกอบด้วยการรวมกันของฮิสโตนและดีเอ็นเอ การจัดเรียงนี้ชวนให้นึกถึงลูกปัดบนสร้อยคอ หลังจากผ่านการจัดระเบียบดีเอ็นเอในระดับที่สูงขึ้นแล้วเราจะมาถึงโครโมโซม

ที่มา: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd

โครงสร้างของโครมาตินเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการควบคุมการแสดงออกของยีน มีสองประเภทหลักคือ euchromatin และ heterochromatin

ยูโครมาตินมีลักษณะการบดอัดในระดับต่ำซึ่งแปลเป็นการถอดความในระดับสูง ในทางตรงกันข้ามเฮเทอโรโครมาตินไม่ได้ใช้งานโดยถอดความเนื่องจากมีการบดอัดในระดับสูง

โครงสร้างมีเครื่องหมาย epigenetic บางอย่างของฮิสโตนโดยทั่วไปของโครมาตินทั้งสองประเภท ในขณะที่ euchromatin เกี่ยวข้องกับ acetylation แต่ heterochromatin มีความสัมพันธ์กับการลดลงของกลุ่มเคมี

มีบางบริเวณของ heterochromatin ที่มีหน้าที่โครงสร้างเช่น telomeres และ centromeres

มุมมองทางประวัติศาสตร์

การศึกษาสารพันธุกรรมและโครงสร้างโครงสร้างเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2374 เมื่อนักวิจัยโรเบิร์ตบราวน์อธิบายนิวเคลียส หนึ่งในคำถามเฉพาะสำหรับการค้นพบนี้คือการสอบถามเกี่ยวกับลักษณะทางชีววิทยาและทางเคมีของโครงสร้างนี้

คำถามเหล่านี้เริ่มอธิบายได้ระหว่างปีพ. ศ. 2413 ถึง พ.ศ. 2443 จากการทดลองของฟรีดริชไมเชอร์ซึ่งเป็นผู้แนะนำคำว่านิวคลีอิน อย่างไรก็ตาม Walther Flemming ปรับเปลี่ยนคำและใช้โครมาตินเพื่ออ้างถึงสารนิวเคลียร์

เมื่อเวลาผ่านไปคนเราเริ่มมีความรู้ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับสารพันธุกรรมและคุณสมบัติของมัน จนกระทั่งปี 1908 นักวิจัยชาวอิตาลี Pasquale Baccarini สังเกตว่าโครมาตินไม่เป็นเนื้อเดียวกันและสามารถมองเห็นภาพร่างเล็ก ๆ ภายในนิวเคลียสได้

ประเภทของโครมาติน - ยูโครมาตินและเฮเทอโรโครมาติน - ถูกเสนอครั้งแรกโดยเอมิลไฮทซ์ในปี พ.ศ. 2471 เพื่อสร้างการจำแนกประเภทนี้ไฮทซ์อาศัยการใช้คราบ

ในปีพ. ศ. 2517 นักชีววิทยา Roger Kornberg ได้เสนอแบบจำลองสำหรับการจัดระเบียบของสารพันธุกรรมในโครงสร้างที่เรียกว่านิวคลีโอโซมซึ่งเป็นสมมติฐานที่ได้รับการยืนยันโดยการทดลองของ Markus Noll

Chromatin คืออะไร?

ส่วนประกอบของโครมาติน: ดีเอ็นเอและโปรตีน

โครมาตินเป็นนิวคลีโอโปรตีนที่เกิดจากการรวมตัวกันของสารพันธุกรรม - DNA - โดยมีชุดโปรตีนที่ไม่เหมือนกัน การเชื่อมโยงนี้มีพลวัตสูงและได้มาซึ่งโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อนซึ่งช่วยให้สามารถปฏิบัติหน้าที่ด้านกฎระเบียบและโครงสร้างได้

โปรตีนที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งในโครมาตินคือฮิสโตนซึ่งพบได้ในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกับดีเอ็นเอ

ฮิสโตนเป็นโปรตีนพื้นฐานซึ่งได้รับการอนุรักษ์ไว้อย่างน่าทึ่งตลอดประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตอินทรีย์นั่นคือฮิสโตนของเราไม่แตกต่างกันมากนักเมื่อเทียบกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดอื่นแม้แต่สัตว์ชนิดอื่นที่อยู่ห่างไกลจากวิวัฒนาการทางวิวัฒนาการ

ประจุของฮิสโตนเป็นบวกดังนั้นจึงสามารถโต้ตอบผ่านแรงไฟฟ้าสถิตด้วยประจุลบของกระดูกสันหลังฟอสเฟตที่มีอยู่ในดีเอ็นเอ ฮิสโตนมีห้าประเภท ได้แก่ : H1, H2A, H2B, H3 และ H4

นอกจากนี้ยังมีโปรตีนจำนวนหนึ่งที่มีลักษณะแตกต่างจากฮิสโตนที่มีส่วนร่วมในการบดอัดของดีเอ็นเอ

การบดอัดดีเอ็นเอ: นิวคลีโอโซม

หน่วยพื้นฐานของโครมาตินคือนิวคลีโอโซมซึ่งเป็นโครงสร้างซ้ำ ๆ ซึ่งประกอบด้วยดีเอ็นเอและฮิสโตนซึ่งเป็นโครงสร้างที่พบได้ในสารพันธุกรรม

เกลียวคู่ของดีเอ็นเอถูกพันเป็นคอมเพล็กซ์ของฮิสโตนแปดตัวที่เรียกว่าฮิสโตนอ็อกทาเมอร์ โมเลกุลจะขดลวดประมาณสองรอบตามด้วยพื้นที่สั้น ๆ (ระหว่าง 20 ถึง 60 คู่เบส) ที่แยกนิวคลีโอโซมออกจากกัน

เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับองค์กรนี้เราต้องคำนึงว่าโมเลกุลของ DNA นั้นมีความยาวมาก (ประมาณ 2 เมตร) และต้องพันแผลอย่างเป็นระเบียบเพื่อสร้างตัวเองในนิวเคลียส (ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3 ถึง 10 µm) นอกจากนี้จะต้องมีไว้สำหรับการจำลองแบบและการถอดเสียง

วัตถุประสงค์นี้บรรลุได้ด้วยการบดอัดดีเอ็นเอในระดับที่แตกต่างกันโดยอันดับแรกคือนิวคลีโอโซมดังกล่าวข้างต้น สิ่งเหล่านี้คล้ายกับลูกปัดบนสร้อยคอมุก ดีเอ็นเอประมาณ 150 คู่เบสถูกพันที่บ้าน "จำนวนนับ"

ไม่มีเรื่องจริงในแบคทีเรีย ในทางตรงกันข้ามมีโปรตีนหลายชนิดที่ชวนให้นึกถึงฮิสโตนและสันนิษฐานว่ามีส่วนช่วยในการบรรจุดีเอ็นเอของแบคทีเรีย

องค์กรชั้นนำ

การจัดระเบียบของโครมาตินไม่ได้ถูก จำกัด ที่ระดับนิวคลีโอโซม ความสัมพันธ์ของโปรตีนและดีเอ็นเอนี้รวมกลุ่มกันในโครงสร้างที่หนาขึ้นประมาณ 30 นาโนเมตร - เนื่องจากความหนานี้เรียกว่าระดับ "เส้นใย 30 นาโนเมตร"

โครมาตินที่จัดในความหนา 30 นาโนเมตรจัดอยู่ในรูปแบบของลูปที่ขยายออกไปในโครงสร้างของโปรตีนชนิดหนึ่ง (ไม่ใช่ฮิสโตน)

นี่คือแบบจำลองที่ใช้อยู่ในปัจจุบันแม้ว่าจะสามารถคาดหวังกลไกการบดอัดที่ซับซ้อนกว่านี้ได้ องค์กรสุดท้ายประกอบด้วยโครโมโซม

ข้อผิดพลาดในองค์กรของโครมาติน

การบดอัดและการจัดระเบียบของสารพันธุกรรมมีความสำคัญต่อการทำงานทางชีววิทยาหลายอย่าง เงื่อนไขทางการแพทย์ที่แตกต่างกันมีความเกี่ยวข้องกับข้อผิดพลาดในโครงสร้างโครมาตินในกลุ่ม X-linked alpha thalassemia, Rubinstein-Taybi syndrome, Coffin-Lowry syndrome, Rett syndrome และอื่น ๆ

ประเภท Chromatin

มีโครมาตินสองชนิดในเซลล์ซึ่งเปิดเผยโดยการใช้คราบ: euchromatin (โครมาติน "จริง") และเฮเทอโรโครมาติน ในกรณีแรกจะสังเกตเห็นการย้อมสีได้เล็กน้อยในขณะที่ในครั้งที่สองการย้อมสีจะรุนแรง

การจัดโครงสร้างของดีเอ็นเอนี้มีลักษณะเฉพาะสำหรับสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตและมีความสำคัญต่อพฤติกรรมของโครโมโซมและการควบคุมการแสดงออกของยีน

ถ้าเราประเมินสัดส่วนของโครมาตินทั้งสองชนิดในเซลล์ที่เชื่อมต่อกันเราพบว่าโครมาตินประมาณ 90% เป็นยูโครมาตินและอีก 10% ที่เหลือสอดคล้องกับเฮเทอโรโครมาติน เราจะอธิบายรายละเอียดแต่ละประเภทด้านล่าง:

I. เฮเทอโรโครมาติน

ลักษณะเฉพาะ

ความแตกต่างหลักที่มีอยู่ระหว่างโครมาตินทั้งสองประเภทเกี่ยวข้องกับระดับของการบดอัดหรือ "การบรรจุ" ของโมเลกุลระหว่างขั้นตอนเฉพาะในการแบ่งเซลล์

แม้ว่าสารพันธุกรรมดูเหมือนจะกระจัดกระจายแบบสุ่มที่ส่วนต่อประสาน แต่ก็ไม่ได้เป็นไปในลักษณะนี้

มีองค์กรที่สำคัญในขั้นตอนนี้ซึ่งสามารถมองเห็นพาร์ติชันที่แตกต่างกันของวัสดุโครโมโซมภายในนิวเคลียส

ดีเอ็นเอของโครโมโซมไม่พันกับสายดีเอ็นเอของโครโมโซมอื่นและยังคงอยู่ในบริเวณเฉพาะที่เรียกว่าดินแดนโครโมโซม องค์กรนี้ดูเหมือนจะมีส่วนในการแสดงออกของยีน

Heterochromatin มีการควบแน่นอย่างมากทำให้ไม่สามารถเข้าถึงเครื่องจักรในการถอดความได้ดังนั้นจึงไม่สามารถถอดเสียงได้ นอกจากนี้ยังไม่ดีในแง่ของจำนวนยีนที่มี

ประเภทของเฮเทอโรโครมาติน

บางบริเวณของเฮเทอโรโครมาตินนั้นคงอยู่ตลอดทั้งเซลล์ - นั่นคือมักจะมีพฤติกรรมเหมือนเฮเทอโรโครมาติน เฮเทอโรโครมาตินประเภทนี้เรียกว่าส่วนประกอบ ตัวอย่างนี้คือบริเวณที่ควบแน่นของโครโมโซมที่เรียกว่าเซนโตรเมียร์และเทโลเมียร์

ในทางตรงกันข้ามมีบางส่วนของเฮเทอโรโครมาตินที่สามารถเปลี่ยนแปลงระดับของการบดอัดเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงรูปแบบพัฒนาการหรือตัวแปรด้านสิ่งแวดล้อม

จากการศึกษาใหม่มุมมองนี้กำลังได้รับการปรับรูปแบบและตอนนี้มีหลักฐานว่าเฮเทอโรโครมาตินที่เป็นส่วนประกอบยังมีพลวัตและสามารถตอบสนองต่อสิ่งเร้าได้

โครงสร้าง

ปัจจัยหนึ่งที่กำหนดโครงสร้างของโครมาตินคือการดัดแปลงทางเคมีของฮิสโตน ในกรณีของโครมาตินที่ไม่มีการใช้งานโดยถอดความจะแสดงฮิสโตนที่ขาดออกซิเจน

การลดลงของจำนวนกลุ่มอะซิทิลมีความเกี่ยวข้องกับการปิดเสียงของยีนเนื่องจากไม่ได้ปิดบังประจุบวกของไลซีนทำให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตที่รุนแรงระหว่างดีเอ็นเอและฮิสโตน

epigenetic อีกยี่ห้อหนึ่งคือ methylation อย่างไรก็ตามเนื่องจากการเพิ่มกลุ่มเมธิลไม่ได้แก้ไขประจุของโปรตีนผลที่ตามมา (การกระตุ้นหรือปิดใช้งานยีน) จึงไม่ชัดเจนนักและจะขึ้นอยู่กับบริเวณของฮิสโตนที่พบเครื่องหมาย

ในเชิงประจักษ์พบว่า methylation ของ H3K4me3 และ H3K36me3 มีความสัมพันธ์กับการกระตุ้นของยีนและ H3K9me3 และ H3K27me3

คุณสมบัติ

ในตัวอย่างของ heterochromatin ที่เป็นส่วนประกอบเรากล่าวถึง centromere บริเวณโครโมโซมนี้มีบทบาททางโครงสร้างและก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ของโครโมโซมในระหว่างเหตุการณ์การแบ่งเซลล์แบบไมโทติกและไมโอติก

ครั้งที่สอง Euchromatin

ลักษณะเฉพาะ

ตรงกันข้ามกับเฮเทอโรโครมาตินยูโครมาตินเป็นโมเลกุลที่มีขนาดกะทัดรัดน้อยกว่าดังนั้นกลไกการถอดความจึงเข้าถึงได้ง่าย (โดยเฉพาะเอนไซม์ RNA polymerase) และสามารถแสดงออกได้อย่างแข็งขันผ่านทางพันธุกรรม

โครงสร้าง

โครงสร้างของนิวคลีโอโซมของโครมาตินที่ใช้การถอดความเป็นลักษณะของอะซิติลฮิสโตน การปรากฏตัวของไลซีนแบบโมโนเมทิลยังเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นของยีน

การเพิ่มกลุ่มอะซิทิลลงในสารตกค้างของฮิสโตนไลซีนเหล่านี้จะทำให้ประจุบวกของกรดอะมิโนดังกล่าวเป็นกลาง ผลที่ตามมาทันทีของการเปลี่ยนแปลงนี้คือการลดลงของปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างฮิสโตนกับดีเอ็นเอทำให้เกิดโครมาตินที่หลวมขึ้น

การปรับเปลี่ยนโครงสร้างนี้ช่วยให้ปฏิสัมพันธ์ของสารพันธุกรรมกับกลไกการถอดเสียงซึ่งมีลักษณะที่มีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ

คุณสมบัติ

Euchromatin ครอบคลุมยีนทั้งหมดที่ทำงานอยู่และสามารถเข้าถึงได้โดยกลไกของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการถอดความ ดังนั้นหน้าที่จึงกว้างพอ ๆ กับหน้าที่ของยีนที่เกี่ยวข้อง

อ้างอิง

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). Heterochromatin และ epigenetic ควบคุมการแสดงออกของยีน วิทยาศาสตร์, 301 (5634), 798-802
2. Jost, KL, Bertulat, B. , & Cardoso, MC (2012). Heterochromatin และการวางตำแหน่งของยีน: ด้านในด้านนอกด้านใด?. โครโมโซม, 121 (6), 555–563
3. ลูวิน, บี. (2008). ยีน IX. สำนักพิมพ์ Jones และ Bartlett
4. Tollefsbol, TO (2011). คู่มือ Epigenetics สำนักพิมพ์วิชาการ.
5. Wang, J. , Jia, ST, & Jia, S. (2016). ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกฎข้อบังคับของ Heterochromatin แนวโน้มของพันธุศาสตร์: TIG, 32 (5), 284–294
6. Zhang, P. , Torres, K. , Liu, X. , Liu, CG, & Pollock, RE (2016) ภาพรวมของโปรตีนควบคุมโครมาตินในเซลล์ วิทยาศาสตร์โปรตีนและเปปไทด์ปัจจุบัน, 17 (5), 401–410