kromosomit ja korkeamman kertaluvun Kromatiinirakenne

kromatiini tiivistyy voimakkaasti mitoosin aikana muodostaen kompakteja metafaasikromosomeja, jotka jakautuvat tytärytimiin (KS.Kuva 4.12). Interfaasin aikana osa kromatiinista (heterokromatiini) pysyy hyvin kondensoituneena ja on transkriptioiden mukaan inaktiivista; loput kromatiinista (eukromatiini) dekondensoituu ja jakautuu koko tumaan (Kuva 8.15). Soluissa on kahdenlaisia heterokromatiineja. Konstitutiivinen heterokromatiini sisältää DNA-sekvenssejä, joita ei koskaan transkriboida, kuten centromeereissa esiintyvät satelliittijaksot. Fakultatiivinen heterokromatiini sisältää sekvenssejä, jotka eivät transkriboidu tutkittavassa solussa, mutta transkriboituvat muissa solutyypeissä. Näin ollen fakultatiivisen heterokromatiinin määrä vaihtelee solun transkriptiotoiminnan mukaan. Suuri osa heterokromatiinista on lokalisoitunut tuman reuna-alueille, mahdollisesti siksi, että yksi heterokromatiiniin liittyvistä pääproteiineista sitoutuu sisemmän ydinkalvon proteiiniin.

Kuva 8.15

Heterokromatiini interfaasiytimissä. Eukromatiini jakautuu koko tumaan. Heterokromatiinia merkitään nuolenkärjillä ja nukleolia nuolella. (Ada L. Olins ja Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (enemmän…)

X-kromosomin inaktivaatio-ilmiö antaa esimerkin heterokromatiinin roolista geenien ilmentymisessä. Monilla eläimillä, myös ihmisillä, naarailla on kaksi X-kromosomia ja koirailla yksi X-ja yksi Y-kromosomi. X-kromosomi sisältää tuhansia geenejä, joita ei ole paljon pienemmässä Y-kromosomissa (KS.Kuva 4.26). Naarailla on siis kaksi kertaa enemmän X-kromosomigeenejä kuin koirailla. Tästä erosta huolimatta naaras-ja koirassolut sisältävät yhtä paljon x-kromosomigeenien koodaamia proteiineja. Tämä johtuu annostuksen kompensointimekanismista, jossa toinen naissolujen kahdesta X-kromosomista inaktivoituu muuntumalla heterokromatiiniksi varhaisessa kehitysvaiheessa. Näin ollen vain yksi kopio X-kromosomista on käytettävissä transkriptiota varten joko nais-tai miessoluissa. X-kromosomin inaktivaation mekanismi on kiehtova, vaikka sitä ei vielä täysin ymmärretä; siihen näyttää liittyvän säätelevä RNA, joka peittää inaktiivisen X-kromosomin ja indusoi sen muuttumisen heterokromatiiniksi.

vaikka interfaasikromatiini näyttää jakautuvan tasaisesti, kromosomit ovat itse asiassa järjestäytyneet järjestäytyneesti ja jakautuneet erillisiin funktionaalisiin domeeneihin, joilla on tärkeä rooli geenien ilmentymisen säätelyssä. Kromatiinin nonrandom-jakautumista interfaasiytimessä ehdotti ensimmäisen kerran vuonna 1885 C. Rabl, joka ehdotti, että jokainen kromosomi sijaitsee erillisellä alueella, jossa centromeerit ja telomeerit ovat kiinnittyneet ydinkuoren vastakkaisille puolille (Kuva 8.16). Tämä kromosomin järjestämisen perusmalli vahvistettiin lähes sata vuotta myöhemmin (vuonna 1984) yksityiskohtaisilla polyteenikromosomien tutkimuksilla Drosophilan sylkirauhasissa. Sen sijaan, että kromosomi olisi kiertynyt satunnaisesti toistensa ympäri, sen havaittiin asuttavan diskreetin alueen tumassa (Kuva 8.17). Kromosomit ovat monissa kohdissa läheisessä yhteydessä ydinkuoreen, ja niiden centromeerit ja telomeerit ovat ryhmittyneet vastakkaisille napoille.

Kuva 8.16

kromosomin järjestäytyminen. Kopio käsin piirrettyjä luonnoksia kromosomeista salamanterin soluissa. (A) täydelliset kromosomit. B) ainoastaan telomeerit (sijaitsevat ydinkalvon kohdalla). (C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

Kuva 8.17

Drosophila-kromosomien järjestäminen. A) tuman malli, jossa näkyvät viisi kromosomin vartta eri väreissä. Telomeerien ja sentromeerien sijainnit on ilmoitettu. B) kromosomin 3 kaksi haaraa havainnollistavat topologista (lisää…)

yksittäiset kromosomit miehittävät myös erillisiä alueita nisäkässolujen tumissa (Kuva 8.18). Aktiivisesti transkriboidut geenit näyttävät lokalisoituvan näiden alueiden reuna-alueille, kromosomeja erottavien kanavien läheisyyteen. Vasta transkriboituneiden RNA: iden arvellaan vapautuvan näihin kromosomien välisiin kanaviin, joissa tapahtuu RNA: n käsittely.

Kuva 8.18

kromosomien järjestäytyminen nisäkkäiden tumassa. A) kromosomi 4: n toistuvien sekvenssien luotaimet risteytettiin ihmissolun kanssa. Keltaisella fluoresenssilla tunnistetut kromosomi 4: n kaksi kopiota ovat eri alueilla tumassa. B) (lisää…)

kuten DNA metafaasikromosomeissa (KS.Kuva 4.13), kromatiini interfaasiytimissä näyttää järjestäytyneen silmukoituihin domeeneihin, jotka sisältävät noin 50-100 kb DNA: ta. Hyvä esimerkki tästä silmukoidusta domeeniorganisaatiosta on sammakkoeläinten varhaismunasolujen hyvin litteroidut kromosomit, joissa aktiivisesti litteroituneet DNA: n alueet voidaan visualisoida dekondensoidun kromatiinin laajennettuina silmukoina (Kuva 8.19). Nämä kromatiinidomeenit näyttävät edustavan diskreettejä funktionaalisia yksiköitä, jotka säätelevät itsenäisesti geenien ilmentymistä.

Kuva 8.19

silmukoitua kromatiinidomeenia. Sammakkoeläinten varhaismunasolujen kromosomin kevyt mikrografiikka, jossa näkyy aktiivisesti transkriboidun kromatiinin dekondensoituneita silmukoita, jotka ulottuvat voimakkaasti kondensoitumattoman kromatiinin akselilta. (Courtesy of Joseph Gall, Carnegie Institute.) (enemmän…)

kromosomien järjestäytymisen vaikutukset geenien ilmentymiseen on osoitettu erilaisilla kokeilla, jotka osoittavat, että geenin sijainti kromosomaalisessa DNA: ssa vaikuttaa geenin ilmentymistasoon. Esimerkiksi siirtogeenisiin hiiriin siirrettyjen geenien transkriptiotoiminta riippuu niiden integroitumispaikoista hiiren perimässä. Tätä kromosomiasennon vaikutusta geenien ekspressioon voidaan lieventää lokuksen kontrollialueiksi kutsutuilla sekvensseillä, jotka johtavat siihen, että siirretyt geenit ilmentyvät voimakkaasti riippumatta niiden integraatiopaikasta. Toisin kuin transkription tehostajat (KS. Luku 6), lokuksen kontrollialueet stimuloivat vain transfektoituja geenejä, jotka ovat integroituneet kromosomaaliseen DNA: han.; ne eivät vaikuta integroitumattomien plasmididnas: ien ilmentymiseen ohimenevissä määrityksissä. Lisäksi lokuksen kontrollialueet eivät vaikuta yksittäisiin promoottoreihin, vaan ne näyttävät aktivoivan suuria kromosomin domeeneja, oletettavasti aiheuttamalla kromatiinin rakenteessa pitkän kantaman muutoksia.

kromosomaalidomeenien erottelua ylläpitävät rajasekvenssit tai eristeelementit, jotka estävät yhden domeenin kromatiinirakenteen leviämisen naapureihinsa. Lisäksi eristeet toimivat esteinä, jotka estävät yhden tieteenalan tehostajia vaikuttamasta viereisellä alueella sijaitseviin promoottoreihin. Lokusten kontrollialueiden tapaan eristeet toimivat vain kromosomaalisen DNA: n yhteydessä, mikä viittaa siihen, että ne säätelevät korkeamman kertaluvun kromatiinirakennetta. Vaikka lokuksen säätelyalueiden ja eristeiden vaikutusmekanismit ovat vielä selvittämättä, niiden toiminnot osoittavat selvästi korkeamman kertaluvun kromatiinin järjestäytymisen merkityksen eukaryoottisen geeniekspression säätelyssä.