13.2: Упаковка ДНК

Обзор

У эукариот большой геном по сравнению с прокариотами. Чтобы вместить свой геном в клетку, эукариоты должны плотно упаковать свою ДНК внутри ядра. Для этого ДНК наматывается на белки, называемые гистонами, с образованием нуклеосом, основной единицы упаковки ДНК. Затем нуклеосомы скручиваются в компактные волокна, известные как хроматин.

У вас достаточно ДНК, чтобы простираться до Солнца и сотни раз назад

Большинство клеток человеческого тела содержат около 3 миллиардов пар оснований ДНК, упакованных в 23 пары хромосом. Трудно представить, сколько ДНК представляют эти числа. Итак, сколько нужно упаковки, чтобы геном поместился в клетку?

Мы можем получить некоторое представление, выразив геном в единицах длины. Если бы мы выстроили ДНК одной человеческой клетки, например клетки кожи, в прямую линию, она была бы длиной два метра - более 6,5 футов. Человеческое тело содержит около 50 триллионов человеческих клеток. Это означает, что у каждого человека в общей сложности около 100 триллионов метров ДНК. Другими словами, у каждого человека достаточно ДНК, чтобы протянуться от Земли до Солнца 300 раз!

А у людей нет особо крупных геномов - у многих рыб, амфибий и цветковых растений они намного крупнее. Например, геном цветкового растения Paris japonica в 25 раз больше, чем диплоидный геном человека. Эти цифры подчеркивают удивительную задачу, которую должны выполнить эукариоты, чтобы упаковать свою ДНК внутри клеток.

Нуклеосомы являются центральными игроками в упаковке ДНК

Каждая нуклеосома состоит из ДНК, обернутой вокруг ядра из восьми белков гистона. Каждое ядро состоит из четырех различных типов гистонов : H2A, H2B, H3 и H4, каждый из которых присутствует в двух экземплярах. Другой тип гистон-H1 -связывается как с нуклеосомой, так и с связующим ДНК, стабилизируют структуру.

ДНК становится более компактной, так как нуклеосомы и линкеры ДНК скручиваются в волокна хроматина. Неконденсированные волокна хроматина, или эухроматин, имеют диаметр около 10 нм. Нуклеосомы напоминают бусинки на нитке из этих волокон. По мере того как ДНК продолжает конденсироваться, волокна длиной 10 нм скручиваются в нити толщиной примерно 30 нм, которые, в свою очередь, образуют петли, образующие волокна толщиной 300 нм. Когда хроматин полностью уплотнен, он известен как гетерохроматин.

Неплотно упакованная структура эухроматина позволяет ферментам, таким как РНК-полимераза, получать доступ к ДНК. Таким образом, транскрипция имеет тенденцию происходить преимущественно в эухроматических областях генома, богатых генами. Напротив, плотно упакованная структура гетерохроматина блокирует доступ к ДНК, предотвращая транскрипцию. Гетерохроматин преобладает в центромерах и теломерах хромосом, где очень часто повторяющиеся последовательности ДНК встречаются гораздо чаще, чем гены. Кроме того, организмы могут динамически регулировать уровень упаковки ДНК в ответ на клеточные и внешние сигналы окружающей среды, деконденсируя ДНК, когда необходимо включить гены, и повторно конденсируя ее, чтобы выключить их.

в эукариотах двухцепочечная ДНК специально организована внутри ограниченного мембраной ядра для размещения в ограниченном пространстве клетки. На первом уровне уплотнения ДНК плотно обёрнута вокруг конкретных белков, называемых гистонами. Гистоновое ядро и ДНК, обёрнутая вокруг него, вместе известны как нуклеосома, основная единица упаковки ДНК.

Нуклеосомы соединены вместе линкерной ДНК, как бусинки на нитке. На следующем уровне упаковки нуклеосомы и линкерная ДНК смотаны для формирования волокон хроматина. Наконец, дополнительные волокнистые белки уплотняют хроматин ещё больше, позволяя собрать длинные отрезки ДНК в очень плотно сконденсированные блоки, распознаваемые как хромосомы в зависимости от фазы деления клетки.