CHROMATIN: TYPEN, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Das Chromatin ist der Komplex, den DNA und Proteine ​​nur in eukaryotischen Organismen bilden. In Bezug auf die Proportionen enthält es fast doppelt so viele Proteine ​​wie genetisches Material. Die wichtigsten Proteine ​​in diesem Komplex sind Histone - kleine, positiv geladene Proteine, die durch elektrostatische Wechselwirkungen an DNA binden. Darüber hinaus enthält Chromatin mehr als tausend andere Proteine ​​als Histone.

Die Grundeinheit des Chromatins ist das Nukleosom, das aus der Vereinigung von Histonen und DNA besteht. Diese Anordnung erinnert an die Perlen an einer Halskette. Nachdem wir alle höheren Ebenen der DNA-Organisation durchlaufen haben, gelangen wir zu den Chromosomen.

Quelle: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative Arbeit: Gouttegd

Die Chromatinstruktur ist eng mit der Kontrolle der Genexpression verbunden. Es gibt zwei Haupttypen: Euchromatin und Heterochromatin.

Euchromatin zeichnet sich durch einen geringen Verdichtungsgrad aus, der sich in einem hohen Transkriptionsgrad niederschlägt. Im Gegensatz dazu ist Heterochromatin aufgrund seines hohen Verdichtungsgrades transkriptionell inaktiv.

Strukturell gibt es bestimmte epigenetische Markierungen der Histone, die für beide Arten von Chromatinen typisch sind. Während Euchromatin mit Acetylierung assoziiert ist, ist Heterochromatin mit einer Abnahme der chemischen Gruppen verbunden.

Es gibt einige Regionen von Heterochromatin mit strukturellen Funktionen, wie Telomere und Zentromere.

Historische Perspektive

Die Untersuchung des genetischen Materials und seiner strukturellen Organisation begann 1831, als der Forscher Robert Brown den Kern beschrieb. Eine der unmittelbaren Fragen zu dieser Entdeckung war die Frage nach der biologischen und chemischen Natur dieser Struktur.

Diese Fragen wurden zwischen 1870 und 1900 mit den Experimenten von Friedrich Miescher geklärt, der das Wort Nuklein einführte. Walther Flemming modifiziert jedoch den Begriff und verwendet Chromatin, um sich auf die Kernsubstanz zu beziehen.

Im Laufe der Zeit beginnt man, das genetische Material und seine Eigenschaften besser zu kennen. Erst 1908 bemerkte der italienische Forscher Pasquale Baccarini, dass das Chromatin nicht homogen war und es gelang, kleine Körper im Kern sichtbar zu machen.

Die Arten von Chromatinen - Euchromatin und Heterochromatin - wurden ursprünglich 1928 von Emil Heitz vorgeschlagen. Um diese Klassifizierung zu etablieren, stützte sich Heitz auf die Verwendung von Flecken.

1974 schlug der Biologe Roger Kornberg ein Modell für die Organisation von genetischem Material in als Nukleosomen bekannten Strukturen vor, eine Hypothese, die durch die Experimente von Markus Noll empirisch bestätigt wurde.

Was ist Chromatin?

Chromatinkomponenten: DNA und Proteine

Chromatin ist ein Nukleoprotein, das durch die Vereinigung von genetischem Material - DNA - mit einem heterogenen Satz von Proteinen gebildet wird. Diese Assoziation ist hochdynamisch und erhält eine komplexe dreidimensionale Konformation, die es ihr ermöglicht, ihre regulatorischen und strukturellen Funktionen auszuführen.

Eines der wichtigsten Proteine ​​im Chromatin sind Histone, die fast im gleichen Verhältnis wie DNA vorkommen.

Histone sind Grundproteine, die während der gesamten Evolutionsgeschichte organischer Wesen bemerkenswert konserviert sind - das heißt, unsere Histone unterscheiden sich nicht wesentlich von denen anderer Säugetiere, selbst eines anderen Tieres, das phylogenetisch weiter entfernt ist.

Die Ladung der Histone ist positiv, so dass sie durch elektrostatische Kräfte mit der negativen Ladung des in der DNA vorhandenen Phosphatrückgrats interagieren können. Es gibt fünf Arten von Histonen: H1, H2A, H2B, H3 und H4.

Es gibt auch eine Reihe von Proteinen anderer Art als Histone, die an der Verdichtung von DNA beteiligt sind.

DNA-Verdichtung: Nukleosomen

Die Grundeinheit des Chromatins sind Nukleosomen - repetitive Strukturen aus DNA und Histonen, eine Konformation, die im gesamten genetischen Material zu finden ist.

Die DNA-Doppelhelix ist in einen Komplex von acht Histonen gewickelt, der als Histonoctamer bekannt ist. Das Molekül wickelt sich in etwa zwei Windungen, gefolgt von einem kurzen Bereich (zwischen 20 und 60 Basenpaaren), der die Nukleosomen voneinander trennt.

Um diese Organisation zu verstehen, müssen wir berücksichtigen, dass das DNA-Molekül extrem lang ist (etwa 2 Meter) und ordnungsgemäß gewickelt werden muss, um sich im Kern zu etablieren (dessen Durchmesser 3 bis 10 um beträgt). Darüber hinaus muss es für die Replikation und Transkription zur Verfügung gestellt werden.

Dieses Ziel wird mit unterschiedlichen Niveaus der DNA-Verdichtung erreicht, wobei das erste die oben genannten Nukleosomen sind. Diese ähneln den Perlen an einer Perlenkette. Ungefähr 150 Basenpaare DNA werden zu Hause "gezählt".

Es gibt keine wahren Geschichten über Bakterien. Im Gegensatz dazu gibt es eine Reihe von Proteinen, die an Histone erinnern, und von denen angenommen wird, dass sie zur Verpackung von bakterieller DNA beitragen.

Top Organisation

Die Organisation von Chromatin ist auf Nukleosomenebene nicht eingeschränkt. Diese Assoziation von Proteinen und DNA ist in einer dickeren Struktur von etwa 30 nm zusammengefasst - aufgrund dieser Dicke wird sie als "30 nm Faser" -Niveau bezeichnet.

Das in der Dicke von 30 nm organisierte Chromatin ist in Form von Schleifen organisiert, die sich in einer Art Gerüst von Proteinnatur (nicht Histonen) erstrecken.

Dies ist das derzeit verwendete Modell, obwohl komplexere Verdichtungsmechanismen zu erwarten sind. Die endgültige Organisation besteht aus dem Chromosom.

Fehler in der Organisation von Chromatin

Die Verdichtung und Organisation von genetischem Material ist für mehrere biologische Funktionen von entscheidender Bedeutung. Verschiedene Erkrankungen wurden mit Fehlern in der Chromatinstruktur in Verbindung gebracht, darunter X-chromosomale Alpha-Thalassämie, Rubinstein-Taybi-Syndrom, Coffin-Lowry-Syndrom und Rett-Syndrom.

Chromatin-Typen

Es gibt zwei Arten von Chromatin in der Zelle, die durch Aufbringen von Färbungen sichtbar werden: Euchromatin ("echtes" Chromatin) und Heterochromatin. Im ersten Fall wird die Färbung schwach beobachtet, während im zweiten Fall die Färbung intensiv ist.

Diese strukturelle Organisation der DNA ist einzigartig für eukaryotische Organismen und entscheidend für das Verhalten von Chromosomen und die Regulation der Genexpression.

Wenn wir die Anteile beider Arten von Chromatinen in einer Zelle bewerten, die sich in der Interphase befindet, stellen wir fest, dass ungefähr 90% des Chromatins Euchromatin sind und die restlichen 10% Heterochromatin entsprechen. Wir werden jeden Typ im Folgenden detailliert beschreiben:

I. Heterochromatin

Eigenschaften

Der Hauptunterschied, der zwischen beiden Arten von Chromatin besteht, hängt mit dem Grad der Verdichtung oder "Packung" des Moleküls während bestimmter Stadien der Zellteilung zusammen.

Obwohl das genetische Material an der Grenzfläche zufällig verteilt zu sein scheint, ist dies nicht der Fall.

In diesem Stadium gibt es eine signifikante Organisation, in der eine unterschiedliche Verteilung des chromosomalen Materials innerhalb des Kerns sichtbar ist.

Die DNA von Chromosomen ist nicht mit dem DNA-Strang anderer Chromosomen verflochten und verbleibt in bestimmten Regionen, die als chromosomale Gebiete bezeichnet werden. Diese Organisation scheint zur Genexpression beizutragen.

Heterochromatin ist stark kondensiert, so dass es für die Transkriptionsmaschinerie unzugänglich ist - es wird also nicht transkribiert. Es ist auch schlecht in Bezug auf die Anzahl der Gene, die es hat.

Arten von Heterochromatin

Bestimmte Regionen von Heterochromatin sind in allen Zelllinien persistent - das heißt, es verhält sich immer wie Heterochromatin. Diese Art von Heterochromatin ist als konstitutiv bekannt. Ein Beispiel hierfür sind die kondensierten Regionen von Chromosomen, die als Zentromere und Telomere bezeichnet werden.

Im Gegensatz dazu gibt es Teile von Heterochromatin, die den Verdichtungsgrad als Reaktion auf Änderungen der Entwicklungsmuster oder Umgebungsvariablen variieren können.

Dank neuer Studien wird diese Ansicht neu formuliert, und jetzt gibt es Hinweise darauf, dass konstitutives Heterochromatin auch dynamisch ist und auf Reize reagieren kann.

Struktur

Einer der Faktoren, die die Struktur von Chromatin bestimmen, sind die chemischen Modifikationen von Histonen. Im Fall von Chromatin, das transkriptionell inaktiv ist, weisen sie hypoacetylierte Histone auf.

Die Abnahme der Anzahl der Acetylgruppen ist mit dem Gen-Silencing verbunden, da es die positive Ladung von Lysinen nicht maskiert und eine starke elektrostatische Wechselwirkung zwischen DNA und Histonen ermöglicht.

Eine weitere epigenetische Marke ist die Methylierung. Da die Zugabe einer Methylgruppe die Ladung des Proteins jedoch nicht verändert, ist ihre Konsequenz (Aktivierung oder Deaktivierung von Genen) nicht so offensichtlich und hängt von der Region des Histons ab, in der sich die Markierung befindet.

Empirisch wurde gefunden, dass die Methylierung von H3K4me3 und H3K36me3 mit der Genaktivierung und der von H3K9me3 und H3K27me3 verbunden ist.

Eigenschaften

Im Beispiel des konstitutiven Heterochromatins erwähnen wir das Zentromer. Diese chromosomale Region spielt eine strukturelle Rolle und trägt zur Bewegung von Chromosomen sowohl bei mitotischen als auch bei meiotischen Zellteilungsereignissen bei.

II. Euchromatin

Eigenschaften

Im Gegensatz zu Heterochromatin ist Euchromatin ein weniger kompaktes Molekül, sodass die Transkriptionsmaschinerie leicht zugänglich ist (insbesondere das RNA-Polymeraseenzym) und genetisch aktiv exprimiert werden kann.

Struktur

Die Struktur eines Nukleosoms eines transkriptionell aktiven Chromatins ist durch acetylierte Histone gekennzeichnet. Das Vorhandensein von monomethylierten Lysinen ist auch mit der Genaktivierung verbunden.

Die Addition einer Acetylgruppe an diese Histonlysinreste neutralisiert die positive Ladung der Aminosäure. Die unmittelbare Folge dieser Änderung ist die Verringerung der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Histon und DNA, wodurch ein lockereres Chromatin entsteht.

Diese strukturelle Modifikation ermöglicht die Wechselwirkung des genetischen Materials mit der Transkriptionsmaschinerie, die sich durch besondere Sperrigkeit auszeichnet.

Eigenschaften

Euchromatin umfasst alle Gene, die aktiv sind und von der mit der Transkription verbundenen enzymatischen Maschinerie erreicht werden können. Daher sind die Funktionen so breit wie die Funktionen der beteiligten Gene.

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