cromozomi și structura cromatinei de ordin superior

cromatina devine foarte condensată în timpul mitozei pentru a forma cromozomii metafazici compacți care sunt distribuiți nucleelor fiice (vezi figura 4.12). În timpul interfazei, o parte din cromatină (heterocromatină) rămâne foarte condensată și este inactivă transcripțional; restul cromatinei (euchromatină) este decondensat și distribuit în întregul nucleu (figura 8.15). Celulele conțin două tipuri de heterocromatină. Heterocromatina constitutivă conține secvențe de ADN care nu sunt niciodată transcrise, cum ar fi secvențele satelit prezente la centromere. Heterocromatina facultativă conține secvențe care nu sunt transcrise în celula examinată, dar sunt transcrise în alte tipuri de celule. În consecință, cantitatea de heterocromatină facultativă variază în funcție de activitatea transcripțională a celulei. O mare parte din heterocromatină este localizată la periferia nucleului, posibil pentru că una dintre principalele proteine asociate cu heterocromatina se leagă de o proteină a membranei nucleare interioare.

figura 8.15

Heterocromatină în nucleele interfazice. Euchromatina este distribuită în întregul nucleu. Hetero-cromatina este indicată de vârfuri de săgeată, iar nucleolul de o săgeată. (Prin amabilitatea Ada L. Olins și Donald E. Olins, Laboratorul Național Oak Ridge.) (mai mult…)

fenomenul inactivării cromozomului X oferă un exemplu al rolului heterocromatinei în expresia genelor. La multe animale, inclusiv la oameni, femelele au doi cromozomi X, iar masculii au un cromozom X și un cromozom Y. Cromozomul X conține mii de gene care nu sunt prezente pe cromozomul Y mult mai mic (vezi figura 4.26). Astfel, femelele au de două ori mai multe gene cromozomiale X decât bărbații. În ciuda acestei diferențe, celulele feminine și masculine conțin cantități egale de proteine codificate de genele cromozomului X. Acest lucru rezultă dintr-un mecanism de compensare a dozei în care unul dintre cei doi cromozomi X din celulele feminine este inactivat prin transformarea în heterocromatină la începutul dezvoltării. În consecință, o singură copie a cromozomului X este disponibilă pentru transcriere în celulele feminine sau masculine. Mecanismul inactivării cromozomului X este fascinant, deși nu este încă pe deplin înțeles; pare să implice acțiunea unui ARN reglator care acoperă cromozomul X inactiv și induce conversia acestuia în heterocromatină.

deși cromatina interfazică pare a fi distribuită uniform, cromozomii sunt de fapt aranjați într-un mod organizat și împărțiți în domenii funcționale discrete care joacă un rol important în reglarea expresiei genelor. Distribuția nonrandomică a cromatinei în nucleul interfazic a fost sugerată pentru prima dată în 1885 de C. Rabl, care a propus că fiecare cromozom ocupă un teritoriu distinct, cu centromeri și telomeri atașați de laturile opuse ale învelișului nuclear (figura 8.16). Acest model de bază al organizării cromozomilor a fost confirmat aproape o sută de ani mai târziu (în 1984) prin studii detaliate ale cromozomilor politenici în glandele salivare Drosophila. În loc să se înfășoare aleatoriu unul în jurul celuilalt, s-a constatat că fiecare cromozom ocupă o regiune discretă a nucleului (figura 8.17). Cromozomii sunt strâns asociați cu învelișul nuclear în multe locuri, cu centromerii și telomerii lor grupați la poli opuși.

figura 8.16

organizarea cromozomului. Reproducerea schițelor desenate manual de cromozomi în celulele salamandrei. (A) cromozomi compleți. (B) Numai telomerii (localizați la membrana nucleară). (Din C. Rabl, 1885. Morfologisches Jahrbuch 10: 214.)

figura 8.17

organizarea cromozomilor Drosophila. (A) un model al nucleului, care arată cele cinci brațe cromozomiale în culori diferite. Sunt indicate pozițiile telomerilor și centromerilor. (B) cele două brațe ale cromozomului 3 sunt arătate pentru a ilustra topologia (mai mult…)

cromozomii individuali ocupă, de asemenea, teritorii distincte în nucleele celulelor de mamifere (figura 8.18). Genele transcrise activ par a fi localizate la periferia acestor teritorii, adiacente canalelor care separă cromozomii. Se crede că ARN-urile nou transcrise sunt eliberate în aceste canale între cromozomi, unde are loc procesarea ARN.

figura 8.18

organizarea cromozomilor în nucleul mamiferelor. (A) sondele la secvențe repetate pe cromozomul 4 au fost hibridizate la o celulă umană. Cele două copii ale cromozomului 4, identificate prin fluorescență galbenă, ocupă teritorii distincte în nucleu. (B) (mai mult…)

ca ADN-ul din cromozomii metafazei (vezi Figura 4.13), cromatina din nucleele interfazice pare a fi organizată în domenii în buclă care conțin aproximativ 50 până la 100 kb de ADN. Un bun exemplu al acestei organizații în buclă este oferit de cromozomii foarte transcriși ai ovocitelor amfibiene, în care regiunile transcrise activ ale ADN-ului pot fi vizualizate ca bucle extinse de cromatină decondensată (figura 8.19). Aceste domenii de cromatină par să reprezinte unități funcționale discrete, care reglează independent expresia genelor.

figura 8.19

domenii de cromatină în buclă. Micrografie ușoară a unui cromozom de ovocite amfibiene, care prezintă bucle decondensate de cromatină transcrisă activ care se extinde de la o axă de cromatină netranscrisă foarte condensată. (Prin amabilitatea lui Joseph Gall, Institutul Carnegie.) (mai mult…)

efectele organizării cromozomiale asupra expresiei genelor au fost demonstrate printr-o varietate de experimente care arată că poziția unei gene în ADN-ul cromozomial afectează nivelul la care este exprimată gena. De exemplu, activitatea transcripțională a genelor introduse în șoarecii transgenici depinde de locurile lor de integrare în genomul șoarecilor. Acest efect al poziției cromozomiale asupra expresiei genelor poate fi atenuat prin secvențe cunoscute sub numele de regiuni de control al locusului, care au ca rezultat un nivel ridicat de exprimare a genelor introduse, indiferent de locul lor de integrare. Spre deosebire de amplificatorii transcripționali (vezi capitolul 6), regiunile de control ale locusului stimulează numai genele transfectate care sunt integrate în ADN-ul cromozomial; acestea nu afectează expresia ADN-urilor plasmidice neintegrate în testele tranzitorii. În plus, mai degrabă decât să afecteze promotorii individuali, regiunile de control ale locusului par să activeze domenii cromozomiale mari, probabil prin inducerea unor modificări pe termen lung în structura cromatinei.

separarea dintre domeniile cromozomiale este menținută de secvențe limită sau elemente izolatoare, care împiedică structura cromatinei unui domeniu să se răspândească la vecinii săi. În plus, izolatorii acționează ca bariere care împiedică amplificatorii dintr-un domeniu să acționeze asupra promotorilor situați într-un domeniu adiacent. La fel ca regiunile de control ale locusului, izolatorii funcționează numai în contextul ADN-ului cromozomial, sugerând că reglează structura cromatinei de ordin superior. Deși mecanismele de acțiune ale regiunilor de control al locusului și ale izolatorilor rămân să fie elucidate, funcțiile lor indică în mod clar importanța organizării cromatinei de ordin superior în controlul expresiei genelor eucariote.