kromosomer och kromatinstruktur med högre ordning

kromatin kondenseras mycket under mitos för att bilda de kompakta metafaskromosomerna som distribueras till dotterkärnor (se figur 4.12). Under interfas förblir en del av kromatinet (heterokromatin) starkt kondenserat och är transkriptionellt inaktivt; resten av kromatinet (eukromatin) dekondenseras och distribueras genom hela kärnan (figur 8.15). Celler innehåller två typer av heterochromatin. Konstitutivt heterochromatin innehåller DNA-sekvenser som aldrig transkriberas, såsom satellitsekvenserna närvarande vid centromerer. Fakultativt heterochromatin innehåller sekvenser som inte transkriberas i cellen som undersöks, men transkriberas i andra celltyper. Följaktligen varierar mängden fakultativt heterokromatin beroende på cellens transkriptionsaktivitet. Mycket av heterochromatinet är lokaliserat till kärnans periferi, möjligen på grund av att ett av de huvudsakliga proteinerna associerade med heterochromatin binder till ett protein i det inre kärnmembranet.

figur 8.15

Heterochromatin i interfaskärnor. Euchromatinet distribueras genom hela kärnan. Hetero-kromatin indikeras av pilhuvud och nukleolus med en pil. (Med tillstånd av Ada L. Olins och Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (mer…)

fenomenet X-kromosominaktivering ger ett exempel på heterokromatins roll i genuttryck. Hos många djur, inklusive människor, har kvinnor två X-kromosomer, och män har en X-och en Y-kromosom. X-kromosomen innehåller tusentals gener som inte finns på den mycket mindre Y-kromosomen (se figur 4.26). Således har kvinnor dubbelt så många x-kromosomgener som män har. Trots denna skillnad innehåller kvinnliga och manliga celler lika stora mängder proteiner som kodas av X-kromosomgener. Detta beror på en doskompensationsmekanism där en av de två X-kromosomerna i kvinnliga celler inaktiveras genom att omvandlas till heterokromatin tidigt i utvecklingen. Följaktligen är endast en kopia av X-kromosomen tillgänglig för transkription i antingen kvinnliga eller manliga celler. Mekanismen för X-kromosominaktivering är fascinerande men ännu inte helt förstådd; det verkar involvera verkan av ett reglerande RNA som täcker den inaktiva X-kromosomen och inducerar dess omvandling till heterokromatin.

även om interfaskromatin verkar vara jämnt fördelat, är kromosomerna faktiskt ordnade på ett organiserat sätt och uppdelade i diskreta funktionella domäner som spelar en viktig roll för att reglera genuttryck. Nonrandomfördelningen av kromatin inom interfaskärnan föreslogs först 1885 av C. Rabl, som föreslog att varje kromosom upptar ett distinkt territorium, med centromerer och telomerer fästa på motsatta sidor av kärnhöljet (figur 8.16). Denna grundläggande modell av kromosomorganisation bekräftades nästan hundra år senare (1984) genom detaljerade studier av polytenkromosomer i Drosophila spottkörtlar. I stället för att slumpmässigt lindas runt varandra befanns varje kromosom uppta en diskret region i kärnan (figur 8.17). Kromosomerna är nära förknippade med kärnhöljet på många platser, med sina centromerer och telomerer grupperade vid motsatta poler.

figur 8.16

Kromosomorganisation. Reproduktion av handritade skisser av kromosomer i salamanderceller. (A) kompletta kromosomer. B) endast telomerer (belägna vid kärnmembranet). (Från C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

figur 8.17

organisation av Drosophila kromosomer. (A) en modell av kärnan, som visar de fem kromosomarmarna i olika färger. Positionerna för telomerer och centromerer anges. (B) de två armarna på kromosom 3 visas för att illustrera det topologiska (mer…)

enskilda kromosomer upptar också distinkta territorier inom kärnorna i däggdjursceller (figur 8.18). Aktivt transkriberade gener verkar vara lokaliserade till periferin av dessa territorier, intill kanaler som skiljer kromosomerna. Nyligen transkriberade rna tros släppas ut i dessa kanaler mellan kromosomer, där RNA-bearbetning sker.

figur 8.18

organisering av kromosomer i däggdjurskärnan. (A) sonder till upprepade sekvenser på kromosom 4 hybridiserades till en mänsklig cell. De två kopiorna av kromosom 4, identifierade med gul fluorescens, upptar distinkta territorier i kärnan. (B) (Mer…)

som DNA i metafas kromosomer (se Figur 4.13) verkar kromatinet i interfaskärnor organiseras i loopade domäner som innehåller cirka 50 till 100 kb DNA. Ett bra exempel på denna loopade domänorganisation tillhandahålls av de högt transkriberade kromosomerna av amfibiska oocyter, i vilka aktivt transkriberade regioner av DNA kan visualiseras som förlängda slingor av dekondenserat kromatin (figur 8.19). Dessa kromatindomäner verkar representera diskreta funktionella enheter, som oberoende reglerar genuttryck.

figur 8.19

loopade kromatindomäner. Ljus mikrograf av en kromosom av amfibiska oocyter, som visar dekondenserade slingor av aktivt transkriberat kromatin som sträcker sig från en axel av starkt kondenserat icke-transkriberat kromatin. (Med tillstånd av Joseph Gall, Carnegie Institute.) (mer…)

effekterna av kromosomorganisation på genuttryck har visats genom en mängd olika experiment som visar att positionen för en gen i kromosomalt DNA påverkar nivån vid vilken genen uttrycks. Till exempel beror transkriptionsaktiviteten hos gener som införs i transgena möss på deras integrationsställen i musgenomet. Denna effekt av kromosomal position på genuttryck kan lindras av sekvenser som kallas locus control regions, vilket resulterar i en hög grad av uttryck av de införda generna oavsett deras integrationsställe. I motsats till transkriptionsförstärkare (se Kapitel 6) stimulerar locus-kontrollregioner endast transfekterade gener som är integrerade i kromosomalt DNA; de påverkar inte uttrycket av ointegrerade plasmid-DNA i övergående analyser. Dessutom, snarare än att påverka enskilda promotorer, verkar locus-kontrollregioner aktivera stora kromosomdomäner, förmodligen genom att inducera långväga förändringar i kromatinstrukturen.

separationen mellan kromosomala domäner upprätthålls av gränssekvenser eller isolatorelement, vilket förhindrar att kromatinstrukturen hos en domän sprider sig till sina grannar. Dessutom fungerar isolatorer som hinder som förhindrar förstärkare i en domän från att agera på promotorer som ligger i en intilliggande domän. Liksom locus-kontrollregioner fungerar isolatorer endast i samband med kromosomalt DNA, vilket tyder på att de reglerar kromatinstruktur med högre ordning. Även om verkningsmekanismerna för locus – kontrollregioner och isolatorer återstår att belysa, indikerar deras funktioner tydligt vikten av kromatinorganisation med högre ordning i kontrollen av eukaryot genuttryck.