Chromozomy a Vyšší Struktura Chromatinu

Chromatin se stává vysoce kondenzované během mitózy tvoří kompaktní metafáze chromozomů, které jsou distribuovány na dceru jádra (viz Obrázek 4.12). Během interfáze zůstává část chromatinu (heterochromatinu) vysoce kondenzovaná a je transkripčně neaktivní; zbytek chromatinu (euchromatinu) je dekondenzován a distribuován po celém jádru (obrázek 8.15). Buňky obsahují dva typy heterochromatinu. Konstitutivní heterochromatin obsahuje sekvence DNA, které nejsou nikdy transkribovány, jako jsou satelitní sekvence přítomné v centromerech. Fakultativní heterochromatin obsahuje sekvence, které nejsou transkribovány v zkoumané buňce, ale jsou transkribovány v jiných typech buněk. V důsledku toho se množství fakultativního heterochromatinu mění v závislosti na transkripční aktivitě buňky. Mnoho heterochromatin je lokalizován na periferii jádra, možná proto, že jedním z hlavních proteinů spojených s heterochromatin se váže na protein vnitřní jaderné membrány.

obrázek 8.15

Heterochromatin v mezifázových jádrech. Euchromatin je distribuován v celém jádru. Hetero-chromatin je označen šipkami a jadérkem šipkou. (S laskavým svolením Ada L. Olins a Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (mnoho…)

fenomén inaktivace chromozomu X poskytuje příklad úlohy heterochromatinu v genové expresi. U mnoha zvířat, včetně lidí, mají ženy dva chromozomy X a muži mají jeden chromozom X a jeden chromozom Y. Chromozom X obsahuje tisíce genů, které nejsou přítomny na mnohem menším chromozomu Y (viz obrázek 4.26). Ženy tedy mají dvakrát tolik genů chromozomu X než muži. Přes tento rozdíl obsahují ženské a mužské buňky stejné množství proteinů kódovaných geny chromozomu X. To vyplývá z mechanismu kompenzace dávky, ve kterém je jeden ze dvou chromozomů X v ženských buňkách inaktivován přeměnou na heterochromatin na počátku vývoje. V důsledku toho je k dispozici pouze jedna kopie chromozomu X pro transkripci v ženských nebo mužských buňkách. Mechanismus inaktivace X chromozomu je fascinující, i když ne dosud zcela objasněn; zdá se, že zahrnují působení regulačních RNA, která kabáty neaktivní chromozom X a indukuje jeho přeměny na heterochromatin.

i když mezifázové chromatinu se zdá být rovnoměrně rozloženy, chromozomy jsou ve skutečnosti uspořádány v organizovaným způsobem a rozdělit do jednotlivých funkčních domén, které hrají důležitou roli v regulaci genové exprese. Na nenáhodné distribuce chromatinu v interfázi jádra byla poprvé navrhl v roce 1885 C. Rabl, který navrhl, že každý chromosom zaujímá odlišné území, centromery a telomery připojeny na opačných stranách jaderné obálky (viz Obrázek 8.16). Tento základní model organizace chromozomů byl potvrzen téměř o sto let později (v roce 1984) podrobnými studiemi polytenových chromozomů v slinných žlázách Drosophila. Spíše než náhodně vinutí kolem sebe, bylo zjištěno, že každý chromozom zabírá diskrétní oblast jádra (obrázek 8.17). Chromozomy jsou úzce spojeny s jadernou obálku na mnoha místech, s jejich centromery a telomery clustery na opačných pólech.

obrázek 8.16

organizace chromozomů. Reprodukce ručně kreslených náčrtů chromozomů v buňkách mloků. A) kompletní chromozomy. B) pouze telomery (umístěné na jaderné membráně). (Od C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

obrázek 8.17

organizace chromozomů Drosophila. (A) model jádra, ukazující pět chromozomových ramen v různých barvách. Jsou uvedeny polohy telomer a centromer. (B) obě ramena chromozomu 3 jsou znázorněna pro ilustraci topologického (více…)

jednotlivé chromozomy také zabírají zřetelná území uvnitř jader savčích buněk (obrázek 8.18). Zdá se, že aktivně transkribované geny jsou lokalizovány na periferii těchto území, přiléhající k kanálům oddělujícím chromozomy. Předpokládá se, že nově transkribované RNA se uvolňují do těchto kanálů mezi chromozomy, kde probíhá zpracování RNA.

obrázek 8.18

organizace chromozomů v jádru savců. (A) sondy k opakovaným sekvencím na chromozomu 4 byly hybridizovány do lidské buňky. Dvě kopie chromozomu 4, identifikované žlutou fluorescencí, zaujímají v jádru odlišná území. B) (více…)

jako DNA v chromozomech metafázy (viz obrázek 4.13) se zdá, že chromatin v mezifázových jádrech je uspořádán do smyčkových domén obsahujících přibližně 50 až 100 kb DNA. Dobrým příkladem této organizace smyčkové domény jsou vysoce transkribované chromozomy obojživelných oocytů,ve kterých lze aktivně transkribované oblasti DNA vizualizovat jako rozšířené smyčky dekondenzovaného chromatinu (obrázek 8.19). Zdá se, že tyto chromatinové domény představují diskrétní funkční jednotky, které nezávisle regulují expresi genů.

Obrázek 8.19

smyčkové chromatinové domény. Světlo mikrofotografie chromozomu z obojživelníků oocytů, ukazuje decondensed smyčky aktivně přepsal chromatinu, sahající od osy z vysoce kondenzované nontranscribed chromatinu. (S laskavým svolením Josepha Galla, Carnegieho Institutu.) (mnoho…)

účinky organizace chromozomů na genovou expresi byly prokázány řadou experimentů, které ukazují, že poloha genu v chromozomální DNA ovlivňuje úroveň, na které je gen exprimován. Například transkripční aktivita genů zavedených do transgenních myší závisí na jejich místech integrace v myším genomu. Tento účinek chromozomální polohy na genovou expresi může být zmírněn sekvencemi známými jako oblasti kontroly lokusů, které vedou k vysoké úrovni exprese zavedených genů bez ohledu na místo jejich integrace. Na rozdíl od transkripčních zesilovačů (Viz kapitola 6) stimulují oblasti kontroly lokusu pouze transfekované geny, které jsou integrovány do chromozomální DNA; neovlivňují expresi neintegrovaných Plazmidových dna v přechodných testech. Kromě toho, spíše než vliv jednotlivých promotérů, locus control oblasti se jeví aktivovat velké chromozomu domén, pravděpodobně tím, že přiměje dlouho-rozsah změny ve struktuře chromatinu.

vzdálenost mezi chromozomální domény je udržována hranice sekvence nebo izolační prvky, které brání strukturou chromatinu jedné domény, šíření jeho sousedy. Kromě toho izolátory působí jako bariéry, které brání zesilovačům v jedné doméně působit na promotory umístěné v sousední doméně. Stejně jako oblasti kontroly lokusu fungují izolátory pouze v kontextu chromozomální DNA, což naznačuje, že regulují strukturu chromatinu vyššího řádu. Ačkoli mechanismy působení oblastí kontroly lokusů a izolátorů je třeba objasnit, jejich funkce jasně naznačují význam organizace chromatinu vyššího řádu při kontrole exprese eukaryotických genů.