Kromosomer og Høyere Orden Kromatinstruktur

Kromatin blir sterkt kondensert under mitose for å danne de kompakte metafasekromosomene som distribueres til datterkjerner (Se Figur 4.12). Under interfase forblir noe av kromatinet (heterochromatin) svært kondensert og er transkripsjonelt inaktivt; resten av kromatinet (eukromatin) dekondenseres og fordeles over hele kjernen (Figur 8.15). Celler inneholder to typer heterochromatin. Konstitutiv heterokromatin inneholder DNA-sekvenser som aldri transkriberes, for eksempel satellittsekvensene som er tilstede ved sentromerer. Fakultativ heterokromatin inneholder sekvenser som ikke transkriberes i cellen som undersøkes, men transkriberes i andre celletyper. Følgelig varierer mengden av fakultativ heterochromatin avhengig av cellens transkripsjonelle aktivitet. Mye av heterokromatinet er lokalisert til periferien av kjernen, muligens fordi et av hovedproteinene assosiert med heterokromatin binder seg til et protein i den indre kjernemembranen.

Figur 8.15

Heterochromatin i interfase kjerner. Eukromatinet er fordelt over hele kjernen. Den hetero-kromatin er indikert med pilspisser, og nukleolus med en pil. (Høflighet Av Ada L. Olins Og Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (mer…)

fenomenet x-kromosominaktivering gir et eksempel på rollen som heterochromatin i genuttrykk. I mange dyr, inkludert mennesker, har kvinner to x-kromosomer, og menn har ett X-og Ett Y-kromosom. X-kromosomet inneholder tusenvis av gener som ikke er tilstede på det mye mindre Y-kromosomet (Se Figur 4.26). Dermed har kvinner dobbelt så mange X-kromosomgener som menn har. Til tross for denne forskjellen inneholder kvinnelige og mannlige celler like mengder proteiner kodet Av x-kromosomgener. Dette skyldes en dosekompensasjonsmekanisme der en Av De To X-kromosomene i kvinnelige celler inaktiveres ved å bli omdannet til heterokromatin tidlig i utviklingen. Følgelig er bare en kopi Av X-kromosomet tilgjengelig for transkripsjon i enten kvinnelige eller mannlige celler. Mekanismen For X-kromosominaktivering er fascinerende, men ennå ikke fullt ut forstått; det ser ut til å involvere virkningen av et regulatorisk RNA som dekker det inaktive X-kromosomet og induserer dets konvertering til heterochromatin.selv om interfasekromatin ser ut til å være jevnt fordelt, er kromosomene faktisk ordnet på en organisert måte og delt inn i diskrete funksjonelle domener som spiller en viktig rolle i å regulere genuttrykk. Den ikke-tilfeldige fordelingen av kromatin i interfasekjernen ble først foreslått i 1885 Av C. Rabl, som foreslo at hvert kromosom opptar et tydelig territorium, med sentromerer og telomerer festet til motsatte sider av atomkuvertet (Figur 8.16). Denne grunnleggende modellen for kromosomorganisasjon ble bekreftet nesten hundre år senere (i 1984) ved detaljerte studier av polytenkromosomer i Drosophila spyttkjertler. I stedet for tilfeldig vikling rundt hverandre, ble hvert kromosom funnet å okkupere en diskret region av kjernen (Figur 8.17). Kromosomene er nært forbundet med atomkuvertet på mange steder, med deres sentromerer og telomerer gruppert ved motsatte poler.

Figur 8.16

Kromosom organisasjon. Reproduksjon av håndtegnede skisser av kromosomer i salamander celler. (A) Komplett kromosomer. (B) Bare Telomerer (plassert ved kjernemembranen). (Fra C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

Figur 8.17

Organisering av Drosophila kromosomer. (A) en modell av kjernen, som viser de fem kromosomarmene i forskjellige farger. Posisjonene til telomerer og sentromerer er angitt. (B) de to armene til kromosom 3 er vist for a illustrere den topologiske (mer…)

Individuelle kromosomer okkuperer også forskjellige territorier innenfor kjernene til pattedyrceller (Figur 8.18). Aktivt transkriberte gener synes å være lokalisert til periferien av disse områdene, ved siden av kanaler som skiller kromosomene. Nylig transkriberte Rnaer antas å bli frigjort i disse kanalene mellom kromosomer, hvor RNA-prosessering foregår.

Figur 8.18

Organisering av kromosomer i pattedyrkjernen. (A) Sonder til gjentatte sekvenser på kromosom 4 ble hybridisert til en human celle. De to kopiene av kromosom 4, identifisert av gul fluorescens, opptar forskjellige territorier i kjernen. (B) (mer…)

SOM DNA i metafasekromosomer (Se Figur 4.13), kromatin i interfase kjerner synes å være organisert i løkker domener som inneholder ca 50 til 100 kb DNA. Et godt eksempel på denne sløyfede domeneorganisasjonen er gitt av de høyt transkriberte kromosomene av amfibiske oocytter, hvor aktivt transkriberte REGIONER AV DNA kan visualiseres som utvidede løkker av dekondensert kromatin (Figur 8.19). Disse kromatindomenene ser ut til å representere diskrete funksjonelle enheter, som uavhengig regulerer genuttrykk.

figur 8.19

Sløyfede kromatin-domener. Lys mikrograf av et kromosom av amfibiske oocytter, som viser dekondenserte løkker av aktivt transkribert kromatin som strekker seg fra en akse av svært kondensert ikke-transkribert kromatin. (Gjengitt Med tillatelse Fra Joseph Gall, Carnegie Institute.) (mer…)

effektene av kromosomorganisering på genuttrykk har blitt demonstrert ved en rekke eksperimenter som viser at posisjonen til et gen i kromosomalt DNA påvirker nivået der genet uttrykkes. For eksempel avhenger den transkripsjonelle aktiviteten til gener innført i transgene mus av deres integrasjonssteder i musgenomet. Denne effekten av kromosomal posisjon på genuttrykk kan lindres av sekvenser kjent som locus kontrollregioner, noe som resulterer i et høyt uttrykksnivå for de introduserte gener uavhengig av deres integrasjonssted. I motsetning til transkripsjonelle forsterkere (Se Kapittel 6) stimulerer locus kontrollregioner bare transfiserte gener som er integrert i kromosomalt DNA; de påvirker ikke uttrykket av uintegrerte plasmid DNAs i forbigående analyser. I tillegg, i stedet for å påvirke individuelle promotorer, ser locus-kontrollregioner ut til å aktivere store kromosomdomener, antagelig ved å indusere langtrekkende endringer i kromatinstrukturen.separasjonen mellom kromosomale domener opprettholdes av grensesekvenser eller isolatorelementer, som forhindrer kromatinstrukturen til ett domene i å spre seg til naboene. I tillegg fungerer isolatorer som barrierer som hindrer forsterkere i ett domene fra å virke på promotorer som befinner seg i et tilstøtende domene. Som locus kontrollregioner fungerer isolatorer bare i sammenheng med kromosomalt DNA, noe som tyder på at de regulerer høyere orden kromatinstruktur. Selv om virkningsmekanismene til locus – kontrollregioner og isolatorer fortsatt er klarlagt, viser deres funksjoner tydelig betydningen av høyere orden kromatinorganisasjon i kontrollen av eukaryotisk genuttrykk.