chromosomy i struktura chromatyny wyższego rzędu

chromatyna ulega silnemu zagęszczeniu podczas mitozy, tworząc zwarte chromosomy metafazy, które są dystrybuowane do jąder potomnych (patrz rysunek 4.12). Podczas interfazy część chromatyny (heterochromatyna) pozostaje silnie skondensowana i jest transkrypcyjnie nieaktywna; pozostała część chromatyny (euchromatyna) jest dekondensowana i rozprowadzana w całym jądrze (rysunek 8.15). Komórki zawierają dwa rodzaje heterochromatyny. Konstytutywna heterochromatyna zawiera sekwencje DNA, które nigdy nie są transkrybowane, takie jak sekwencje satelitarne obecne w centromerach. Fakultatywna heterochromatyna zawiera sekwencje, które nie są transkrybowane w badanej komórce, ale są transkrybowane w innych typach komórek. W związku z tym ilość czynnościowej heterochromatyny zmienia się w zależności od aktywności transkrypcyjnej komórki. Znaczna część heterochromatyny jest zlokalizowana na obrzeżach jądra, prawdopodobnie dlatego, że jedno z głównych białek związanych z heterochromatyną wiąże się z białkiem wewnętrznej błony jądrowej.

rysunek 8.15

Heterochromatyna w jądrach międzyfazowych. Euchromatyna jest rozprowadzana w całym jądrze. Heterochromatyna jest wskazywana przez strzałki, A jądro przez strzałkę. (Dzięki uprzejmości Ada L. Olins i Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (więcej…)

zjawisko inaktywacji chromosomu X stanowi przykład roli heterochromatyny w ekspresji genów. U wielu zwierząt, w tym u ludzi, samice mają dwa chromosomy X, a samce jeden chromosom X i jeden chromosom Y. Chromosom X zawiera tysiące genów, które nie są obecne na znacznie mniejszym chromosomie Y (patrz rysunek 4.26). Tak więc kobiety mają dwa razy więcej genów chromosomu X niż mężczyźni. Pomimo tej różnicy, komórki żeńskie i męskie zawierają jednakowe ilości białek kodowanych przez geny chromosomu X. Wynika to z mechanizmu kompensacji dawkowania, w którym jeden z dwóch chromosomów X w komórkach żeńskich jest inaktywowany przez przekształcenie do heterochromatyny na wczesnym etapie rozwoju. W związku z tym tylko jedna kopia chromosomu X jest dostępna do transkrypcji w komórkach żeńskich lub męskich. Mechanizm inaktywacji chromosomu X jest fascynujący, choć jeszcze nie do końca poznany; wydaje się obejmować działanie regulatorowego RNA, które pokrywa nieaktywny chromosom X i indukuje jego konwersję do heterochromatyny.

chociaż chromatyna międzyfazowa wydaje się być równomiernie rozłożona, chromosomy są właściwie ułożone w zorganizowany sposób i podzielone na dyskretne domeny funkcjonalne, które odgrywają ważną rolę w regulacji ekspresji genów. Rozkład nonrandom chromatyny w jądrze międzyfazowym został po raz pierwszy zasugerowany w 1885 roku przez C. Rabla, który zaproponował, że każdy chromosom zajmuje odrębne terytorium, z centromerami i telomerami dołączonymi do przeciwnych stron koperty jądrowej (rysunek 8.16). Ten podstawowy model organizacji chromosomów został potwierdzony prawie sto lat później (w 1984 roku) szczegółowymi badaniami chromosomów politenowych w gruczołach ślinowych Drosophila. Zamiast losowo nawijać się wokół siebie, każdy chromosom zajmował dyskretny region jądra (rysunek 8.17). Chromosomy są ściśle związane z otoczką jądrową w wielu miejscach, z ich centromerami i telomerami zgrupowanymi w przeciwnych biegunach.

rysunek 8.16

Organizacja chromosomów. Reprodukcja ręcznie rysowanych szkiców chromosomów w komórkach salamandry. (A) kompletne chromosomy. B) tylko telomery (znajdujące się na błonie jądrowej). (Z C. Rabla, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

rysunek 8.17

Organizacja chromosomów Drosophila. (A) model jądra, pokazujący pięć ramion chromosomu w różnych kolorach. Pozycje telomerów i centromerów są wskazane. (B) dwa ramiona chromosomu 3 są pokazane w celu zilustrowania topologicznych (więcej…)

poszczególne chromosomy zajmują również odrębne Terytoria w jądrach komórek ssaków (rysunek 8.18). Aktywnie transkrybowane geny wydają się być zlokalizowane na obrzeżach tych terytoriów, w sąsiedztwie kanałów oddzielających chromosomy. Uważa się, że nowo transkrybowane RNA są uwalniane do tych kanałów między chromosomami, gdzie odbywa się przetwarzanie RNA.

rysunek 8.18

Organizacja chromosomów w jądrze ssaka. (A) sondy do powtarzających się sekwencji na chromosomie 4 były hybrydyzowane do ludzkiej komórki. Dwie kopie chromosomu 4, zidentyfikowane przez żółtą fluorescencję, zajmują odrębne Terytoria w jądrze. B) (Więcej…)

jak DNA w chromosomach metafazy (patrz rycina 4.13), chromatyna w jądrach międzyfazowych wydaje się być zorganizowana w zapętlone domeny zawierające około 50 do 100 kb DNA. Dobrym przykładem tej zapętlonej organizacji domeny są wysoce transkrybowane chromosomy oocytów płazów, w których aktywnie transkrybowane regiony DNA mogą być wizualizowane jako rozszerzone pętle dekondensowanej chromatyny (rysunek 8.19). Te domeny chromatyny wydają się reprezentować dyskretne jednostki funkcjonalne, które niezależnie regulują ekspresję genów.

Rysunek 8.19

Zapętlone domeny chromatyny. Lekki mikrograf chromosomu oocytów płazów, pokazujący zdekondensowane pętle aktywnie transkrybowanej chromatyny rozciągające się od osi wysoce skondensowanej chromatyny nietranskrybowanej. (Dzięki uprzejmości Josepha Galla, Carnegie Institute.) (więcej…)

wpływ organizacji chromosomów na ekspresję genu wykazano w wielu eksperymentach pokazujących, że pozycja genu w chromosomalnym DNA wpływa na poziom, na którym gen jest wyrażany. Na przykład aktywność transkrypcyjna genów wprowadzanych do transgenicznych myszy zależy od ich miejsc integracji w genomie myszy. Ten wpływ pozycji chromosomów na ekspresję genów może być złagodzony przez sekwencje znane jako regiony kontroli locus, które powodują wysoki poziom ekspresji wprowadzanych genów niezależnie od miejsca ich integracji. W przeciwieństwie do wzmacniaczy transkrypcji (patrz rozdział 6), regiony kontroli locus stymulują tylko transfekowane geny, które są zintegrowane z chromosomalnym DNA; nie wpływają one na ekspresję nieintegrowanych plazmidowych dna w przemijających testach. Ponadto, zamiast oddziaływać na poszczególne promotory, wydaje się, że regiony kontroli locus aktywują Duże domeny chromosomowe, prawdopodobnie poprzez indukcję dalekosiężnych zmian w strukturze chromatyny.

separacja między domenami chromosomowymi jest utrzymywana przez sekwencje graniczne lub elementy izolacyjne, które zapobiegają rozprzestrzenianiu się struktury chromatyny jednej domeny na jej sąsiadów. Ponadto izolatory działają jako bariery, które uniemożliwiają działanie wzmacniaczy w jednej domenie na promotory znajdujące się w sąsiedniej domenie. Podobnie jak regiony kontroli locus, izolatory działają tylko w kontekście chromosomalnego DNA, co sugeruje, że regulują strukturę chromatyny wyższego rzędu. Chociaż mechanizmy działania regionów kontroli locus i izolatorów pozostają do wyjaśnienia, ich funkcje wyraźnie wskazują na znaczenie organizacji chromatyny wyższego rzędu w kontroli ekspresji genów eukariotycznych.