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13.2: Empacotamento de DNA
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DNA Packaging
 
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13.2: DNA Packaging

13.2: Empacotamento de 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

Eucariotes têm genomas grandes comparados aos procariotes. Para encaixar seus genomas em uma célula, os eucariotes devem embalar seu DNA firmemente dentro do núcleo. Para isso, o DNA é enrolado em proteínas chamadas histones para formar nucleosomos, a principal unidade de embalagem de DNA. Nucleosomos, em seguida, bobina em fibras compactas conhecidas como cromatina.

Você tem DNA suficiente para esticar ao sol e voltar centenas de vezes

A maioria das células do corpo humano contém cerca de 3 bilhões de pares de BASES de DNA embalados em 23 pares de cromossomos. É difícil imaginar exatamente quanto DNA esses números representam. Então, quanta embalagem tem que acontecer para encaixar o genoma em uma célula?

Podemos obter alguma visão expressando o genoma em termos de comprimento. Se disponhamos o DNA de uma única célula humana, como uma célula da pele, em linha reta, seria de dois metros de comprimento a 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. Em outras palavras, cada pessoa tem DNA suficiente para se estender da Terra ao Sol 300 vezes!

E os humanos não têm genomas particularmente grandes – os de muitos peixes, anfíbios e plantas em floração são muito maiores. Por exemplo, o genoma da planta de floração Paris japonica é 25 vezes maior que o genoma diploide humano. Esses números enfatizam a surpreendente tarefa que os eucariotes devem realizar para embalar seu DNA dentro das células.

Nucleosomos são atores centrais na embalagem de DNA

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

O DNA se torna mais compacto à medida que nucleosmos e bobina de DNA de linker em fibras de cromatina. Fibras de cromatina não condensadas, ou eucromatina, têm aproximadamente 10 nm de diâmetro. Nucleosomos se assemelham a contas em uma corda nestas fibras. À medida que o DNA continua a se condensar, as fibras de 10 nm se enrolam em fios de aproximadamente 30 nm de espessura, que por sua vez formam laços que fazem fibras de 300 nm de espessura. Quando a cromatina é totalmente compactada é conhecida como heterocromatina.

A estrutura vagamente embalada de eucromatina permite que enzimas, como a polimerase RNA, tenham acesso ao DNA. A transcrição, portanto, tende a ocorrer predominantemente em regiões eucromáticas do genoma, que são ricas em genes. Em contraste, a estrutura bem embalada de heterocromatina bloqueia o acesso ao DNA, impedindo a transcrição. A heterocromatina predomina nos centromeres e telômeros dos cromossomos, onde sequências de DNA altamente repetitivas são muito mais comuns do que os genes. Além disso, os organismos podem ajustar dinamicamente o nível de embalagem de DNA em resposta a sinais ambientais celulares e externos, des condensar o DNA quando os genes precisam ser ligados e re-condensar para desligá-los.


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