WAS IST DNA-VERPACKUNG? - BIOLOGIE - 2025

Die Verpackung von DNA ist ein Begriff, der die kontrollierte Verdichtung von DNA in der Zelle definiert. In keiner Zelle (und in der Tat auch nicht in Viren) ist DNA frei, locker und in echter Lösung.

DNA ist ein extrem langes Molekül, das auch immer mit einer Vielzahl verschiedener Proteine ​​interagiert. Für die Verarbeitung, Vererbung und Kontrolle der Expression der darin enthaltenen Gene nimmt die DNA eine bestimmte räumliche Organisation an. Dies wird von der Zelle erreicht, indem jeder Schritt der DNA-Verpackung auf verschiedenen Verdichtungsniveaus streng kontrolliert wird.

Chromatin: von entspannt (links) bis kondensiert (rechts). Entnommen aus commons.wikimedia.org

Viren haben unterschiedliche Verpackungsstrategien für ihre Nukleinsäuren. Einer der Favoriten ist die Bildung kompakter Spiralen. Man könnte sagen, dass Viren Nukleinsäuren sind, die in den Proteinen verpackt sind, die sie bedecken, schützen und mobilisieren.

In Prokaryoten ist DNA mit Proteinen assoziiert, die die Bildung komplexer Schleifen in einer Struktur bestimmen, die als Nukleoid bezeichnet wird. Das maximale Maß an DNA-Verdichtung in einer eukaryotischen Zelle ist andererseits das mitotische oder meiotische Chromosom.

Der einzige Fall, in dem eine B-DNA nicht verpackt ist, ist ein Forschungslabor, das diesen Zweck verfolgt.

DNA-Struktur

Die DNA besteht aus zwei antiparallelen Banden, die eine Doppelhelix bilden. Jeder von ihnen hat ein Phosphodiester-Bindungsgerüst, an das Zucker gebunden sind, die an stickstoffhaltige Basen gebunden sind.

Innerhalb des Moleküls bilden die stickstoffhaltigen Basen einer Bande Wasserstoffbrücken (zwei oder drei) mit der komplementären Bande.

In einem solchen Molekül zeigen die meisten wichtigen Bindungswinkel eine freie Rotation. Stickstoffbasen-Zucker-, Zucker-Phosphat-Gruppen- und Phosphodiester-Bindungen sind flexibel.

Dies ermöglicht es der DNA, die als flexibler Stab angesehen wird, eine gewisse Fähigkeit zum Biegen und Verdrehen zu zeigen. Diese Flexibilität ermöglicht es der DNA, komplexe lokale Strukturen anzunehmen und Interaktionsschleifen auf kurzen, mittleren und langen Entfernungen zu bilden.

Diese Flexibilität erklärt auch, wie 2 Meter DNA in jeder diploiden Zelle eines Menschen gehalten werden können. In einem Gameten (haploide Zelle) wäre es ein Meter DNA.

Das bakterielle Nukleoid

Obwohl dies keine unzerbrechliche Regel ist, existiert das Bakterienchromosom als einzelnes supergewickeltes Doppelband-DNA-Molekül.

Die Doppelhelix dreht sich mehr an sich selbst (mehr als 10 bp pro Umdrehung), wodurch eine gewisse Verdichtung erzeugt wird. Lokale Knoten werden auch durch Manipulationen erzeugt, die enzymatisch gesteuert werden.

Darüber hinaus gibt es Sequenzen in der DNA, die die Bildung von Domänen in großen Schleifen ermöglichen. Wir nennen die Struktur, die sich aus der Unterkühlung und den geordneten Schleifen ergibt, ein Nukleoid.

Diese unterliegen dynamischen Veränderungen dank einiger Proteine, die dem kompaktierten Chromosom eine gewisse strukturelle Stabilität verleihen. Der Verdichtungsgrad in Bakterien und Archaeen ist so effizient, dass es mehr als ein Chromosom pro Nukleoid geben kann.

Das Nukleoid verdichtet die prokaryotische DNA mindestens etwa 1000-mal. Die sehr topologische Struktur des Nukleoids ist ein wesentlicher Bestandteil der Regulation der Gene, die das Chromosom trägt. Das heißt, Struktur und Funktion bilden dieselbe Einheit.

Der Verdichtungsgrad des eukaryotischen Chromosoms

Die DNA im eukaryotischen Kern ist nicht nackt. Es interagiert mit vielen Proteinen, von denen die wichtigsten Histone sind. Histone sind kleine, positiv geladene Proteine, die unspezifisch an DNA binden.

Im Kern beobachten wir eine komplexe DNA: Histone, die wir Chromatin nennen. Das hochkondensierte Chromatin, das im Allgemeinen nicht exprimiert wird, ist Heterochromatin. Im Gegensatz dazu ist das am wenigsten verdichtete (lockerere) oder Euchromatin Chromatin mit Genen, die exprimiert werden.

Chromatin hat verschiedene Verdichtungsstufen. Das elementarste ist das des Nukleosoms; Es folgen die Magnetfaser- und Interphasen-Chromatinschleifen. Nur wenn sich ein Chromosom teilt, werden die maximalen Verdichtungsgrade angezeigt.

Das Nukleosom

Das Nukleosom ist die grundlegende Organisationseinheit des Chromatins. Jedes Nukleosom besteht aus einem Oktamer von Histonen, die eine Art Trommel bilden.

Das Oktamer besteht aus zwei Kopien der Histone H2A, H2B, H3 und H4. Um sie herum geht die DNA etwa 1,7-mal. Es folgt eine Fraktion freier DNA, die als 20-bp-Linker bezeichnet wird und mit Histon H1 assoziiert ist, und dann ein weiteres Nukleosom. Die Menge an DNA in einem Nukleosom und die, die es an ein anderes bindet, beträgt etwa 166 Basenpaare.

Dieser DNA-Verpackungsschritt verdichtet das Molekül etwa siebenmal. Das heißt, wir gehen von einem Meter auf etwas mehr als 14 cm DNA.

Diese Packung ist möglich, weil die positiven Histone die negative Ladung der DNA und die daraus resultierende elektrostatische Selbstabstoßung aufheben. Der andere Grund ist, dass DNA so gebogen werden kann, dass sie das Oktamer von Histonen umdrehen kann.

30 nm Faser

Die Faser von Perlen in einer Kette, die von vielen aufeinanderfolgenden Nukleosomen gebildet wird, wird weiter zu einer kompakteren Struktur gewickelt.

Obwohl wir uns nicht sicher sind, welche Struktur es tatsächlich annimmt, wissen wir, dass es eine Dicke von etwa 30 nm erreicht. Dies ist die sogenannte 30-nm-Faser; Histon H1 ist für seine Bildung und Stabilität wesentlich.

Die 30-nm-Faser ist die grundlegende Struktureinheit von Heterochromatin. Das von laxen Nukleosomen, das von Euchromatin.

Krawatten und dreht sich

Die 30 nm Faser ist jedoch nicht vollständig linear. Im Gegenteil, es bildet auf einer wenig bekannten Proteinmatrix mäanderförmig Schleifen mit einer Länge von etwa 300 nm.

Diese Schleifen auf einer Proteinmatrix bilden eine kompaktere Chromatinfaser mit einem Durchmesser von 250 nm. Schließlich richten sie sich als eine einzelne Helix mit einer Dicke von 700 nm aus, wodurch eines der Schwesterchromatiden eines mitotischen Chromosoms entsteht.

Letztendlich verdichtet sich die DNA im Kernchromatin etwa 10.000 Mal auf dem Chromosom der sich teilenden Zelle. Im Interphasenkern ist seine Verdichtung ebenfalls hoch, da sie im Vergleich zur "linearen" DNA etwa 1000-mal ist.

Die meiotische Verdichtung von DNA

In der Welt der Entwicklungsbiologie soll die Gametogenese das Epigenom zurücksetzen. Das heißt, es löscht die DNA-Markierungen, die das Leben der Person, die den Gameten hervorgebracht hat, hervorgebracht oder erlebt hat.

Diese Tags umfassen DNA-Methylierung und kovalente Modifikationen von Histonen (Code for Histones). Es wird jedoch nicht das gesamte Epigenom zurückgesetzt. Was bei den Markierungen verbleibt, ist für den väterlichen oder mütterlichen genetischen Abdruck verantwortlich.

Das implizite Zurücksetzen auf die Gametogenese ist in Spermien leichter zu erkennen. In Spermien ist die DNA nicht mit Histonen gefüllt. Daher werden die Informationen, die mit seinen Modifikationen im produzierenden Organismus verbunden sind, im Allgemeinen nicht vererbt.

In Spermien wird DNA dank der Wechselwirkung mit unspezifischen DNA-Bindungsproteinen, sogenannten Protaminen, verpackt. Diese Proteine ​​bilden Disulfidbindungen miteinander und tragen so zur Bildung überlappender DNA-Schichten bei, die sich nicht elektrostatisch abstoßen.

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