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13.2: Condensação do DNA
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DNA Packaging
 
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13.2: DNA Packaging

13.2: Condensação do DNA

Overview

Eukaryotes have large genomes compared to prokaryotes. In order to fit their genomes into a cell, eukaryotes must pack their DNA tightly inside the nucleus. To do so, DNA is wound around proteins called histones to form nucleosomes, the main unit of DNA packaging. Nucleosomes then coil into compact fibers known as chromatin.

You Have Enough DNA to Stretch to the Sun and Back Hundreds of Times

Most cells in the human body contain about 3 billion base pairs of DNA packaged into 23 pairs of chromosomes. It is hard to imagine exactly how much DNA these numbers represent. So how much packing has to happen to fit the genome into a cell?

We can gain some insight by expressing the genome in terms of length. If we were to arrange the DNA of a single human cell, like a skin cell, into a straight line, it would be two meters long–over 6.5 feet. The human body contains around 50 trillion human cells. This means that each person has a total of about 100 trillion meters of DNA. In other words, each person has enough DNA to stretch from the Earth to the Sun 300 times!

And humans do not have particularly large genomes–those of many fish, amphibians, and flowering plants are much larger. For example, the genome of the flowering plant Paris japonica is 25 times larger than the human diploid genome. These figures emphasize the astonishing task that eukaryotes must accomplish to pack their DNA inside cells.

Nucleosomes Are Central Players in DNA Packaging

Each nucleosome consists of DNA wrapped around a core of eight histone proteins. Each core is composed of four different types of histones—H2A, H2B, H3, and H4—that are each present in two copies. Another type of histone—H1—binds to both the nucleosome and the linker DNA, stabilizing the structure.

DNA becomes more compact as nucleosomes and linker DNA coil into chromatin fibers. Uncondensed chromatin fibers, or euchromatin, are approximately 10 nm in diameter. Nucleosomes resemble beads on a string in these fibers. As DNA continues to condense, the 10-nm fibers coil into strands that are approximately 30 nm thick, which in turn form loops that make 300-nm thick fibers. When chromatin is fully compacted it is known as heterochromatin.

The loosely packed structure of euchromatin allows enzymes, such as RNA polymerase, access to the DNA. Transcription, therefore, tends to occur predominantly in euchromatic regions of the genome, which are rich in genes. By contrast, the tightly packed structure of heterochromatin blocks access to the DNA, preventing transcription. Heterochromatin predominates in the centromeres and telomeres of chromosomes, where highly repetitive DNA sequences are much more common than genes. Furthermore, organisms can dynamically adjust the level of DNA packing in response to cellular and external environmental cues, de-condensing DNA when genes need to be turned on, and re-condensing it to turn them off.

Visão Geral

Os eucariotas têm genomas grandes comparados com os procariotas. Para encaixar os seus genomas em uma célula, os eucariotas precisam condensar o seu DNA firmemente dentro do núcleo. Para isso, o DNA enrola-se em volta de proteínas chamadas histonas para formar nucleossomas, a principal unidade de condensação do DNA. Os nucleossomas, em seguida, enrolam-se em fibras compactas conhecidas como cromatina.

Você tem DNA Suficiente para Esticar até ao Sol e Voltar Centenas de Vezes

A maioria das células do corpo humano contém cerca de 3 mil milhões de pares de bases de DNA condensadas em 23 pares de cromossomas. É difícil imaginar exatamente quanto DNA esses números representam. Então, quanta condensação precisa acontecer para encaixar o genoma em uma célula?

Podemos ter alguma idea expressando o genoma em termos de comprimento. Se dispusermos o DNA de uma única célula humana, como uma célula da pele, em linha reta, daria dois metros de comprimento–mais de 6,5 pés. O corpo humano contém cerca de 50 trilhões de células humanas. Isso significa que cada pessoa tem um total de cerca de 100 trilhões de metros de DNA. Por outras palavras, cada pessoa tem DNA suficiente para esticar da Terra ao Sol 300 vezes!

E os humanos não têm genomas particularmente grandes–os de muitos peixes, anfíbios e angiospérmicas são muito maiores. Por exemplo, o genoma da angiospérmica Paris japonica é 25 vezes maior que o genoma diplóide humano. Esses números enfatizam a surpreendente tarefa que os eucariotas precisam realizar para embalar o seu DNA dentro das células.

Os Nucleossomas têm um Papel Central na Condensação do DNA

Cada nucleossoma consiste em DNA enrolado em volta de um núcleo de oito proteínas histonas. Cada núcleo é composto por quatro tipos diferentes de histonas—H2A, H2B, H3 e H4—que estão presentes em duas cópias. Outro tipo de histona—H1—liga-se tanto ao nucleossoma como ao DNA de ligação, estabilizando a estrutura.

O DNA torna-se mais compacto à medida que os nucleossomas e o DNA ligado se enrolam em fibras de cromatina. Fibras de cromatina não condensadas, ou eucromatina, têm aproximadamente 10 nm de diâmetro. Os nucleossomas assemelham-se a missangas em um fio nestas fibras. À medida que o DNA continua a condensar, as fibras de 10 nm enrolam-se em fios de aproximadamente 30 nm de espessura, que por sua vez formam laços que criam fibras de 300 nm de espessura. Quando a cromatina está totalmente compactada é conhecida como heterocromatina.

A estrutura vagamente condensada de eucromatina permite que enzimas, como a RNA polimerase, tenham acesso ao DNA. A transcrição, portanto, tende a ocorrer predominantemente em regiões de eucromatina do genoma, que são ricas em genes. Em contraste, a estrutura bem condensada de heterocromatina bloqueia o acesso ao DNA, impedindo a transcrição. A heterocromatina predomina nos centrómeros e telómeros dos cromossomas, onde sequências de DNA altamente repetitivas são muito mais comuns do que os genes. Além disso, os organismos podem ajustar dinamicamente o nível de condensação do DNA em resposta a sinais ambientais celulares e externos, descondensar o DNA quando os genes precisam ser ligados, e recondensá-lo para os desligar.


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