DNA的包装是定义细胞中DNA受控紧缩的术语。在任何细胞中(甚至在病毒中也是如此),没有DNA,没有任何松散的真正溶液。
DNA是一个非常长的分子,也总是与各种不同的蛋白质相互作用。为了处理,继承和控制其携带的基因表达,DNA采用了特定的空间组织。这是由细胞通过严格控制DNA包装的每个步骤处于不同压实水平来实现的。
染色质:从松弛(左)到浓缩(右)。取自commons.wikimedia.org
病毒对其核酸具有不同的包装策略。最受欢迎的之一是紧凑螺旋的形成之一。可以说,病毒是包裹在覆盖,保护和动员它们的蛋白质中的核酸。
在原核生物中,DNA与蛋白质相关联,这些蛋白质决定了称为核仁的结构中复杂环的形成。另一方面,真核细胞中DNA压缩的最大水平是有丝分裂或减数分裂染色体。
没有包装B-DNA的唯一实例是追求该目的的研究实验室。
DNA结构
DNA由形成双螺旋的两个反平行带组成。它们每个都有一个磷酸二酯键骨架,与氮基连接的糖附着在该骨架上。
在分子内部,一个带的含氮碱基与互补带形成氢键(两个或三个)。
在这样的分子中,大多数重要的键角都显示出自由旋转。氮糖基,糖磷酸基和磷酸二酯键具有柔性。
这使得被视为柔性杆的DNA表现出一定的弯曲和扭曲能力。这种灵活性使DNA可以采用复杂的局部结构,并在短,中和长距离处形成相互作用环。
这种灵活性还解释了如何在人类的每个二倍体细胞中维持2米的DNA。在配子(单倍体细胞)中,它将是一米的DNA。
细菌核苷
尽管这不是牢不可破的规则,但是细菌染色体以单个超螺旋双带DNA分子的形式存在。
双螺旋自身扭曲得更多(每匝超过10 bp),从而产生一些压实。由于受到酶的控制,还产生了局部结。
另外,DNA中的序列允许结构域形成大环。我们将过冷和有序环产生的结构称为核苷。
由于某些蛋白质为紧密的染色体提供了一定的结构稳定性,因此它们发生了动态变化。细菌和古细菌中的紧实度是如此有效,以至于每个核苷可以有一个以上的染色体。
所述核苷将原核DNA压实至少约1000倍。核苷的非常拓扑结构是染色体携带的基因调控的基本部分。即,结构和功能构成相同的单元。
真核染色体的紧实程度
真核中的DNA不是裸露的。它与许多蛋白质相互作用,其中最重要的是组蛋白。组蛋白是小的带正电荷的蛋白质,可以非特异性方式与DNA结合。
在细胞核中,我们观察到的是复杂的DNA:组蛋白,我们称为染色质。通常不表达的高度浓缩的染色质是异染色质。相反,最不紧实的(染色剂)或常染色质是具有表达基因的染色质。
染色质具有各种压实度。最基本的是核小体的。其次是电磁线圈和相间染色质环路。仅当染色体分裂时,才会显示最大压缩水平。
核小体
核小体是染色质组织的基本单位。每个核小体都由构成鼓的一种组蛋白八聚体组成。
八聚体由组蛋白H2A,H2B,H3和H4的两个副本组成。它们周围的DNA大约是其1.7倍。随后是与组蛋白H1相关的称为20 bp接头的一部分游离DNA,然后是另一个核小体。核小体中的DNA量以及与核小体结合的DNA量约为166个碱基对。
这个DNA包装步骤将分子压缩了大约7倍。也就是说,我们从一米长的DNA延伸到刚好超过14厘米的DNA。
这种堆积是可能的,因为正组蛋白会抵消DNA的负电荷,并因此产生静电自排斥。另一个原因是DNA可以弯曲,从而可以翻转组蛋白的八聚体。
30nm光纤
由许多连续的核小体形成的项链中的珠子纤维进一步缠绕成更紧凑的结构。
尽管我们不确定其实际采用的结构,但我们知道它的厚度约为30 nm。这就是所谓的30 nm光纤;组蛋白H1对于其形成和稳定性至关重要。
30 nm光纤是异染色质的基本结构单元。松散的核小体,常染色质的。
领带和转弯
但是,30 nm光纤不是完全线性的。相反,它以曲折的方式在鲜为人知的蛋白质基质上形成约300 nm长的环。
蛋白质基质上的这些环形成直径更紧凑的染色质纤维,直径为250 nm。最后,它们排列成700 nm厚的单个螺旋,形成有丝分裂染色体的姐妹染色单体之一。
最终,核染色质中的DNA在分裂细胞的染色体上压缩约10,000次。在相间核中,它的致密性也很高,因为它是“线性” DNA的约1000倍。
DNA的减数分裂紧实
在发育生物学的世界中,据说配子发生会重置表观基因组。即,它消除了引起配子的人的生活所产生或经历的DNA标记。
这些标签包括DNA甲基化和组蛋白的共价修饰(组蛋白代码)。但是,并非重置整个表观基因组。留下的痕迹将对父亲或母亲的基因印记负责。
配子发生的隐式复位在精子中更容易看到。在精子中,DNA中没有组蛋白。因此,在生产生物体中与其修饰相关的信息通常不会被继承。
在精子中,DNA由于与称为鱼精蛋白的非特异性DNA结合蛋白的相互作用而被包装。这些蛋白质相互之间形成二硫键,因此有助于形成相互之间不会静电排斥的重叠DNA层。
参考文献
- Alberts,B.,Johnson,AD,Lewis,J.,Morgan,D.,Raff,M.,Roberts,K.,Walter,P.(2014)细胞分子生物学(第六版)。WW Norton&Company,美国纽约。
- Annunziato,A.(2008)DNA Packaging:核小体和染色质。自然教育1:26。(https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310)。
- 布鲁克,RJ(2017)。遗传学:分析与原理。麦格劳-希尔高等教育,美国纽约。
- Martínez-Antonio,A. Medina-Rivera,A.,Collado-Vides,J.(2009)细菌核苷的结构和功能图。基因组生物学,doi:10.1186 / gb-2009-10-12-247。
- Mathew-Fenn,R.S,Das,R.,Harbury,PAB(2008)重新测量双螺旋。科学,17:446-449。
- Travers,AA(2004)DNA柔韧性的结构基础。伦敦皇家学会的哲学刊物,系列A,362:1423-1438。
- Travers,A.,Muskhelishvili,G.(2015)DNA结构和功能。FEBS Journal,282:2279-2295。