5.9
Umiejscowienie chromatyny
Każda ludzka komórka somatyczna zawiera 6 miliardów par zasad DNA. Każda para zasad ma długość 0,34 nm, co oznacza, że każda diploidalna komórka zawie…
Każda ludzka komórka diploidalna zawiera około 2 metry DNA ściśniętego w maleńkim jądrze o średnicy zaledwie kilku mikronów. Ułożenie i zwijanie DNA wewnątrz jądra jest zatem wysoce zorganizowane i ściśle regulowane.
Po pierwsze, chromosomalne DNA jest związane z białkami histonowymi, tworząc strukturę zwaną chromatyną. Podstawowa jednostka strukturalna i funkcjonalna chromatyny nazywana jest nukleosomem. Asocjacja DNA w nukleosomach skraca długość DNA siedmiokrotnie.
Następnie nierdzeniowe białko histonowe zwane H1 wiąże się z każdym nukleosomem. H1 histon zmienia ścieżkę DNA wychodząc z nukleosomu, pomagając w dalszym zagęszczeniu kompleksu.
Te nukleosomy są następnie układane jeden na drugim, tworząc krótsze i grubsze włókno o średnicy 30 nm, znane jako włókna 30 nm.
Ułożenie nukleosomów we włókno o długości 30 nm jest wyjaśnione przez powszechnie akceptowany model solenoidu. Model sugeruje, że nukleosomy są ułożone w lewoskrętną konformację spiralną z sześcioma lub więcej nukleosomami na obrót. To skraca długość DNA o kolejne 50-krotnie.
Każdy region chromatyny, który nie jest aktywnie transkrybowany lub replikowany, istnieje w postaci włókna o długości 30 nm. Z drugiej strony, regiony chromatyny, do których aktywnie uzyskuje się dostęp, istnieją w rozszerzonej formie koralików na sznurku.
Włókna o długości 30 nm są dalej zwijane, tworząc pętle o długości około 300 nm. Włókna te są następnie kompresowane w cewki o szerokości 250 nm.
Później, podczas metafazy cyklu komórkowego, włókna chromatyny tworzą silnie skondensowane struktury zwane chromosomami.
Całkowity współczynnik zagęszczenia DNA w chromosomie wynosi około 1:10000. Gdy komórka się podzieli, chromosomy ponownie się rozwijają.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How does DNA fit inside the nucleus of a cell?
Each human diploid cell contains approximately 2 meters of DNA that must fit inside a nucleus measuring only a few microns in diameter. DNA achieves this through hierarchical packaging: it first associates with histone proteins to form chromatin, then organizes into nucleosomes, which compact the DNA sevenfold. These nucleosomes further coil into 30-nm fibers and eventually condense into chromosomes, achieving an overall compaction ratio of approximately 1:10,000.
Q2: What is a nucleosome and what role does it play in DNA packaging?
A nucleosome is the basic structural and functional unit of chromatin, consisting of 147 base pairs of DNA wrapped around eight histone proteins. Under electron microscopy, nucleosomes appear as beads on a string along the chromatin fiber. The association of DNA into nucleosomes shortens DNA length sevenfold, representing the first major level of DNA compaction in the cell.
Q3: What is the solenoid model and how does it explain chromatin structure?
The solenoid model proposes that nucleosomes are arranged in a left-handed helical conformation with six or more nucleosomes per turn. This arrangement generates 30-nm fibers, named for their diameter of approximately 30 nanometers. The model explains how nucleosomes stack and coil to achieve further DNA compaction of approximately 50-fold, with the non-core histone H1 playing an essential role in stabilizing this structure.
Q4: How does chromatin structure change during the cell cycle?
Chromatin exists in different conformational states depending on cellular activity. Regions actively being transcribed or replicated exist in an extended beads-on-a-string form. During metaphase of the cell cycle, chromatin fibers coil further into loops of around 300 nanometers, then compress into 250-nanometer-wide coils, forming highly condensed structures called chromosomes. Once the cell divides, chromosomes uncoil again.
Q5: What is the function of histone H1 in chromatin packaging?
Histone H1 is a non-core histone protein that binds to each nucleosome after DNA wraps around the histone octamer. H1 changes the DNA path as it exits the nucleosome, helping to further compact the complex. In the absence of H1, chromatin fiber turns into irregular clumps of nucleosomes, demonstrating its essential role in organizing nucleosomes into higher-order 30-nm fiber structures.
Q6: What is the overall compaction ratio achieved when DNA is packaged into chromosomes?
The overall compaction ratio of DNA into the chromosome is approximately 1:10,000. This remarkable compression is achieved through multiple hierarchical levels: nucleosome formation reduces DNA length sevenfold, 30-nm fiber formation reduces it another 50-fold, and further coiling into loops and condensed structures during metaphase completes the packaging process.
Q7: How does chromatin packaging relate to gene activity in cells?
Chromatin packaging directly influences gene accessibility and expression. Chromatin regions that are actively being transcribed or replicated exist in an extended beads-on-a-string form, allowing access to transcription machinery. Conversely, any chromatin region not being actively accessed exists in the more compact 30-nm fiber form, making DNA less accessible. This dynamic regulation of chromatin structure controls which genes are expressed at any given time.