chromosomen en chromatinestructuur van een hogere orde

chromatine wordt tijdens de mitose sterk gecondenseerd tot de compacte metafase chromosomen die worden gedistribueerd naar dochterkernen (zie figuur 4.12). Tijdens de interfase blijft een deel van het chromatine (heterochromatine) sterk gecondenseerd en is transcriptioneel Inactief; de rest van het chromatine (euchromatine) wordt gedecondenseerd en verdeeld over de kern (figuur 8.15). De cellen bevatten twee soorten heterochromatin. Constitutieve heterochromatin bevat opeenvolgingen van DNA die nooit worden getranscribeerd, zoals de satellietopvolgingen huidig bij centromeres. Facultatieve heterochromatin bevat opeenvolgingen die niet in de cel worden getranscribeerd die worden onderzocht, maar in andere celtypes worden getranscribeerd. Bijgevolg varieert de hoeveelheid facultatieve heterochromatin afhankelijk van de transcriptional activiteit van de cel. Veel heterochromatin is gelokaliseerd aan de periferie van de kern, misschien omdat één van de belangrijkste proteã nen verbonden aan heterochromatin aan een proteã ne van het binnen kernmembraan bindt.

figuur 8.15

heterochromatine in interfasekkernen. De euchromatine wordt verspreid over de kern. Het heterochromatine wordt aangegeven door pijlpunten en het nucleolus door een pijl. (Met dank aan Ada L. Olins en Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (meer…)

het fenomeen van X-chromosoominactivatie geeft een voorbeeld van de rol van heterochromatine in genexpressie. In veel dieren, met inbegrip van mensen, hebben de wijfjes twee chromosomen van X, en de mannetjes hebben één chromosoom van X en één y. Het X-chromosoom bevat duizenden genen die niet aanwezig zijn op het veel kleinere Y-chromosoom (zie figuur 4.26). Aldus, hebben de wijfjes tweemaal zoveel chromosoomgenen van X zoals mannetjes hebben. Ondanks dit verschil, bevatten de vrouwelijke en mannelijke cellen gelijke hoeveelheden proteã nen die door chromosoomgenen van X worden gecodeerd. Dit is het resultaat van een mechanisme van de doseringscompensatie waarin één van de twee chromosomen van X in vrouwelijke cellen wordt geïnactiveerd door in heterochromatin vroeg in ontwikkeling te worden omgezet. Bijgevolg is slechts één exemplaar van het chromosoom van X beschikbaar voor transcriptie in of vrouwelijke of mannelijke cellen. Het mechanisme van de chromosoominactivering van X is fascinerend hoewel nog niet volledig begrepen; het schijnt om de actie van een regelgevend RNA te impliceren dat het inactieve chromosoom van X bedekt en zijn omzetting in heterochromatin induceert.

hoewel interfasechromatine uniform gedistribueerd lijkt te zijn, zijn de chromosomen in feite geordend op een georganiseerde manier en verdeeld in discrete functionele domeinen die een belangrijke rol spelen bij het reguleren van genexpressie. De nonrandomdistributie van chromatine binnen de interfasekern werd eerst voorgesteld in 1885 door C. Rabl, die voorstelde dat elk chromosoom een verschillend gebied, met centromeren en telomeren in bijlage aan tegenovergestelde kanten van de kernenvelop bezet (figuur 8.16). Dit basismodel van chromosoomorganisatie werd bijna honderd jaar later (in 1984) bevestigd door gedetailleerde studies van polyteenchromosomen in de speekselklieren van Drosophila. In plaats van willekeurig rond elkaar te kronkelen, werd elk chromosoom gevonden om een discreet gebied van de kern te bezetten (figuur 8.17). De chromosomen zijn nauw verbonden met de kernenvelop op vele plaatsen, met hun centromeren en telomeren geclusterd bij tegenovergestelde polen.

figuur 8.16

Chromosoomorganisatie. Reproductie van handgetekende schetsen van chromosomen in salamandercellen. A) volledige chromosomen. B) alleen telomeren (gelegen aan het kernmembraan). (Uit C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

figuur 8.17

Organization of Drosophila chromosomen. (A)een model van de kern, met de vijf chromosoomarmen in verschillende kleuren. De posities van telomeren en centromeren zijn aangegeven. (B) de twee armen van chromosoom 3 worden getoond om de topologische (meer te illustreren…)

individuele chromosomen bezetten ook verschillende gebieden binnen de kernen van zoogdiercellen (figuur 8.18). Actief getranscribeerde genen lijken te zijn gelokaliseerd aan de periferie van deze gebieden, grenzend aan kanalen die de chromosomen scheiden. Pas getranscribeerd RNAs wordt verondersteld om in deze kanalen tussen chromosomen worden vrijgegeven, waar de verwerking van RNA plaatsvindt.

figuur 8.18

organisatie van chromosomen in de zoogdierkern. (A) sondes aan herhaalde opeenvolgingen op chromosoom 4 werden gekruist aan een menselijke cel. De twee exemplaren van chromosoom 4, geïdentificeerd door gele fluorescentie, bezetten verschillende gebieden in de kern. (B) (meer…)

zoals het DNA in metafasechromosomen (zie Figuur 4.13), chromatin in interphasekkernen schijnt om in lusdomeinen worden georganiseerd die ongeveer 50 tot 100 kb van DNA bevatten. Een goed voorbeeld van deze lus-domein organisatie wordt verstrekt door de hoogst getranscribeerde chromosomen van amfibie oöcytes, waarin actief getranscribeerde gebieden van DNA als uitgebreide lijnen van gedecondenseerde chromatin kunnen worden gevisualiseerd (figuur 8.19). Deze chromatin domeinen schijnen om discrete functionele eenheden te vertegenwoordigen, die onafhankelijk genuitdrukking regelen.

Figuur 8.19

Lusde chromatinedomeinen. Lichte micrografie van een chromosoom van amfibie-oöcyten, met gedecondenseerde lussen van actief getranscribeerd chromatine die zich uitstrekken van een as van sterk gecondenseerd niet-getranscribeerd chromatine. (Met dank aan Joseph Gall, Carnegie Institute.) (meer…)

de effecten van chromosoomorganisatie op genexpressie zijn aangetoond door een verscheidenheid aan experimenten die aantonen dat de positie van een gen in chromosomaal DNA van invloed is op het niveau waarop het gen wordt uitgedrukt. Bijvoorbeeld, hangt de transcriptional activiteit van genen af die in transgene muizen worden geà ntroduceerd van hun plaatsen van integratie in het muizengenoom. Dit effect van chromosomale positie op genuitdrukking kan door opeenvolgingen worden verlicht die als gebieden van de locuscontrole worden bekend, die in een hoog niveau van uitdrukking van de geïntroduceerde genen ongeacht hun plaats van integratie resulteren. In tegenstelling tot transcriptionele versterkers (zie hoofdstuk 6) stimuleren locuscontrolegebieden alleen getransfecteerde genen die in chromosomaal DNA zijn geà ntegreerd; zij beà nvloeden de uitdrukking van niet geïntegreerde plasmidedna ‘ s in voorbijgaande analyses niet. Bovendien, eerder dan het beà nvloeden van individuele promotors, lijken de regio ‘ s van de locuscontrole grote chromosoomdomeinen te activeren, vermoedelijk door veranderingen over lange afstand in chromatin structuur te veroorzaken.

de scheiding tussen chromosomale domeinen wordt gehandhaafd door grenssequenties of isolatorelementen, die voorkomen dat de chromatinestructuur van een domein zich naar zijn buren verspreidt. Bovendien werken isolatoren als barrières die voorkomen dat versterkers in één domein inwerken op promotors die zich in een aangrenzend domein bevinden. Zoals de regio ‘ s van de locuscontrole, functioneren de isolatoren slechts in de context van chromosomaal DNA, die voorstellen dat zij hogere-orde chromatin structuur regelen. Hoewel de werkingsmechanismen van de regio ‘ s van de locuscontrole en de isolatoren nog moeten worden opgehelderd, wijzen hun functies duidelijk op het belang van chromatine van een hogere orde in de controle van eukaryotic genuitdrukking.