כרומטין: סוגים, מאפיינים, מבנה, פונקציות - ביולוגיה - 2025

הכרומטין הוא מורכב נוצר על ידי DNA וחלבונים רק אורגניזמים איקריוטיים. מבחינת הפרופורציות, הוא מכיל כמעט פי שניים חלבונים מאשר חומר גנטי. החלבונים החשובים ביותר במתחם זה הם היסטונים - חלבונים קטנים וטעונים חיוביים הנקשרים ל- DNA באמצעות אינטראקציות אלקטרוסטטיות. בנוסף, כרומטין מכיל יותר מאלף חלבונים שאינם היסטונים.

היחידה הבסיסית של הכרומטין היא הנוקלאוזום, המורכב מאיחוד היסטונים ו- DNA. סידור זה מזכיר את החרוזים על שרשרת. לאחר שעברנו על כל הרמות הגבוהות יותר של ארגון ה- DNA, נגיע לכרומוזומים.

מקור: Chromatin_nucleofilaments.png: כריס Woodcockderivative: Gouttegd

מבנה הכרומטין קשור קשר הדוק לשליטה בביטוי גנים. ישנם שני סוגים עיקריים: אוקראומטין והטרוכרומטין.

אוקראומטין מאופיין בכך שיש דרגה נמוכה של דחיסה, המתורגמת לרמות תמלול גבוהות. לעומת זאת, ההתרוכרומטין אינו פעיל בתמלול, בגלל דרגת הדחיסה הגבוהה שלו.

מבחינה מבנית ישנם סימנים אפיגנטיים מסוימים של ההיסטונים האופייניים לשני סוגי הכרומטינים. בעוד שאאודרומטין קשור לאצטילציה, ההטרוכרומטין קשור לירידה בקבוצות כימיות.

ישנם כמה אזורים של הטרוכרומטין עם פונקציות מבניות, כמו טלומרים וצנטרומרים.

פרספקטיבה היסטורית

המחקר של החומר הגנטי וארגון המבני שלו החל בשנת 1831 כאשר החוקר רוברט בראון תיאר את הגרעין. אחת השאלות המיידיות לגילוי זה הייתה בירור על הטבע הביולוגי והכימי של מבנה זה.

השאלות הללו החלו להיות מוסברות בין 1870 ל 1900, עם ניסוייו של פרידריך מיסשר, שהציג את המילה נוקליין. עם זאת, וולטר פלמינג משנה את המונח ומשתמש בכרומטין כדי להתייחס לחומר הגרעיני.

עם חלוף הזמן, האדם מתחיל להיות בעל ידע מעמיק יותר של החומר הגנטי ותכונותיו. רק בשנת 1908 הבחין החוקר האיטלקי פסקואלה בקריני כי הכרומטין אינו הומוגני והצליח לדמיין גופים קטנים בתוך הגרעין.

את סוגי הכרומטינים - אוקראומטין והטרוכרומטין - הוצע בתחילה על ידי אמיל הייץ בשנת 1928. כדי לבסס סיווג זה הסתמך הייץ על השימוש בכתמים.

בשנת 1974 הציע הביולוג רוג'ר קורנברג מודל לארגון של חומר גנטי במבנים המכונים נוקלאוזומים, השערה שאושרה אמפירית על ידי הניסויים של מרקוס נול.

מה זה כרומטין?

רכיבי הכרומטין: DNA וחלבונים

כרומטין הוא נוקלאופרוטאין שנוצר על ידי איחוד של חומר גנטי - DNA - עם מערכת חלבונים הטרוגנית. אסוציאציה זו דינאמית מאוד ורוכשת קונפורמציה תלת ממדית מורכבת המאפשרת לה לבצע את תפקידיה הרגולטוריים והמבניים.

אחד החלבונים החשובים ביותר בכרומטין הם היסטונים, שנמצאים כמעט באותה פרופורציה כמו DNA.

היסטונים הם חלבונים בסיסיים, שמורים להפליא לאורך ההיסטוריה האבולוציונית של יצורים אורגניים - כלומר, ההיסטונים שלנו אינם שונים בהרבה בהשוואה לאלה של יונקים אחרים, אפילו חיה אחרת פילוגנטית מרוחקת יותר.

המטען של היסטונים הוא חיובי, כך שהם יכולים לתקשר באמצעות כוחות אלקטרוסטטיים עם המטען השלילי של עמוד השדרה הפוספט הקיים ב- DNA. ישנם חמישה סוגים של היסטונים, כלומר: H1, H2A, H2B, H3 ו- H4.

ישנם גם מספר חלבונים בעלי אופי שונה מאשר היסטונים שמשתתפים בדחיסת ה- DNA.

דחיסת DNA: נוקלאוזומים

היחידה הבסיסית של הכרומטין הם נוקלאוזומים - מבנים חוזרים המורכבים מ- DNA והיסטונים, קונפורמציה שנמצאת בכל חומר גנטי.

הסליל הכפול של ה- DNA נכרך למתחם של שמונה היסטונים המכונה אוקטמר היסטון. המולקולה מתפתלת כשני סיבובים, ואחריה אזור קצר (בין 20 ל -60 זוגות בסיס) המפריד בין הגרעין זה לזה.

כדי להבין ארגון זה, עלינו לקחת בחשבון שמולקולת ה- DNA ארוכה ביותר (כ -2 מטר) וחובה להיפצע בצורה מסודרת כדי לבסס את עצמה בגרעין (שקוטרו 3 עד 10 מיקרומטר). יתר על כן, זה חייב להיות זמין לשכפול ותעתיק.

מטרה זו מושגת ברמות שונות של דחיסת DNA, כאשר הראשונה היא הגרעין האמור לעיל. אלה דומים לחרוזים על שרשרת פנינים. בערך 150 זוגות בסיסי של DNA נפצעים ב"ספירות "בבית.

אין סיפורים אמיתיים בחיידקים. לעומת זאת, יש סדרה של חלבונים המזכירים היסטונים ואלו חזקים כי הם תורמים לאריזה של DNA חיידקי.

ארגון מוביל

ארגון הכרומטין אינו מוגבל ברמה הגרעינית. קשר זה של חלבונים ו- DNA מקובצים יחד במבנה עבה יותר של כ- 30 ננומטר - בגלל עובי זה הוא מכונה רמת "סיבי 30 ננומטר".

הכרומטין המאורגן בעובי 30 ננומטר מאורגן בצורה של לולאות המשתרעות במעין פיגום בעל אופי חלבון (לא היסטונים).

זהו המודל המשמש כיום, אם כי ניתן לצפות במנגנוני דחיסה מורכבים יותר. הארגון הסופי מורכב מהכרומוזום.

שגיאות בארגון הכרומטין

הדחיסה והארגון של חומר גנטי חיוניים לתפקודים ביולוגיים מרובים. מצבים רפואיים שונים נקשרו לשגיאות במבנה הכרומטין, ביניהן אלפא תלסמיה הקשורה ל- X, תסמונת רובינשטיין-טייבי, תסמונת קופין-לורי, תסמונת רט, בין היתר.

סוגי הכרומטין

ישנם שני סוגים של כרומטין בתא, שנחשפים על ידי יישום כתמים: אוקראומטין (כרומטין "אמיתי") והטרוכרומטין. במקרה הראשון הכתמים נצפים בצורה חלשה ואילו בשנייה הכתמים עזים.

ארגון מבני זה של DNA הוא ייחודי לאורגניזמים אוקריוטים והוא חיוני להתנהגות הכרומוזומים ולוויסות ביטוי הגנים.

אם נעריך את הפרופורציות של שני סוגי הכרומטינים בתא שנמצא בממשק, נגלה שכ- 90% מהכרומטין הוא אוקראומטין ו 10% הנותרים תואמים את ההתרוכרומטין. להלן נתאר כל סוג בפירוט:

I. הטרוכרומטין

מאפיינים

ההבדל העיקרי שקיים בין שני סוגי הכרומטין קשור למידת הדחיסה או "האריזה" של המולקולה בשלבים ספציפיים בחלוקת התא.

למרות שנראה שהחומר הגנטי מפוזר באופן אקראי בממשק, זה לא בדרך זו.

ישנו ארגון משמעותי בשלב זה, בו ניתן לראות מחיצה דיפרנציאלית של החומר הכרומוזומלי בתוך הגרעין.

ה- DNA של הכרומוזומים אינו משתלב עם גדיל ה- DNA של כרומוזומים אחרים ונשאר באזורים ספציפיים הנקראים טריטוריות כרומוזומליות. נראה כי ארגון זה תורם לביטוי גנים.

ההטרוכרומטין מעובה מאוד, מה שהופך אותו לנגיש למכונות התמלול - כך שהוא לא מתעתק. כמו כן, הוא גרוע מבחינת מספר הגנים שיש לו.

סוגים של הטרוכרומטין

אזורים מסוימים של הטרוכרומטין הם קבועים לאורך כל שולי תאים - כלומר, זה תמיד יתנהג כמו הטרוכרומטין. סוג זה של heterochromatin ידוע כמכונן. דוגמה לכך הם האזורים המרוכזים של הכרומוזומים הנקראים צנטרומרים וטלומרים.

לעומת זאת, ישנם חלקים של הטרוכרומטין שיכולים לשנות את רמת הדחיסה בתגובה לשינויים בדפוסי ההתפתחות או במשתנים סביבתיים.

הודות למחקרים חדשים, השקפה זו עוברת שינוי מחדש, וכעת ישנן עדויות לכך שהטרוכרומטין מכונן הוא גם דינאמי ומסוגל להגיב לגירויים.

מִבְנֶה

אחד הגורמים שקובעים את מבנה הכרומטין הוא השינויים הכימיים של היסטונים. במקרה של כרומטין שאינו פעיל לתמלול, הם מציגים היסטונים עם היפו-אצטילציה.

הירידה במספר קבוצות האצטיל קשורה להשתקת גנים, מכיוון שהיא אינה מסווה את המטען החיובי של הליזינים, ומאפשרת אינטראקציה אלקטרוסטטית חזקה בין DNA להיסטונים.

מותג אפגנטי נוסף הוא מתילציה. עם זאת, מכיוון שתוספת של קבוצת מתיל אינה משנה את מטען החלבון, התוצאה שלו (הפעלה או ביטול גנים) אינה כה ברורה ותלויה באזור ההיסטון בו נמצא הסימן.

מבחינה אמפירית נמצא כי המתילציה של H3K4me3 ו- H3K36me3 קשורה להפעלת גנים לזו של H3K9me3 ו- H3K27me3.

מאפיינים

בדוגמה להטרוכרומטין מכונן אנו מזכירים את הצנטרומרים. לאזור כרומוזומלי זה תפקיד מבני והוא תורם לתנועת הכרומוזומים במהלך אירועי חלוקת תאים מיטוטיים וגם מיוטיים.

ב. אוקראומטין

מאפיינים

בניגוד להטרוכרומטין, אוקראומטין הוא מולקולה פחות קומפקטית, כך שלמכונות התמלול יש גישה נוחה (במיוחד האנזים RNA פולימראז) וניתן לבוא לידי ביטוי באופן גנטי באופן פעיל.

מִבְנֶה

מבנה גרעין של כרומטין פעיל לתמלול מאופיין בהיסטונים אצטיליים. נוכחות של ליזינים מונו-מתיליים קשורה גם להפעלת גנים.

הוספת קבוצת אצטיל לשקעי היסטון ליזין אלה מנטרלת את המטען החיובי של חומצת האמינו האמורה. התוצאה המיידית של שינוי זה היא צמצום האינטראקציות האלקטרוסטטיות בין היסטון ל- DNA ויוצר כרומטין רופף יותר.

שינוי מבני זה מאפשר את האינטראקציות של החומר הגנטי עם המנגנון התמלול, המאופיין בכך שהוא מגושם במיוחד.

מאפיינים

אוקראומטין מקיף את כל הגנים הפעילים ומצליחים להגיע אליהם באמצעות מכונות אנזימטיות הקשורות לתמלול. לכן הפונקציות רחבות כמו הפונקציות של הגנים המעורבים.

הפניות

1. Grewal, SI, & Moazed, D. (2003). הטרוכרומטין ושליטה אפגנטית בביטוי גנים. מדע, 301 (5634), 798-802.
2. ג'וסט, KL, Bertulat, B., & Cardoso, MC (2012). מיקום ההטרוכרומטין וגן: בפנים, בחוץ, כל צד ?. כרומוזומה, 121 (6), 555–563.
3. לוין, ב '(2008). גנים IX. הוצאת ג'ונס וברטלט.
4. Tollefsbol, TO (2011). ספר יד לאפיגנטיקה. עיתונות אקדמית.
5. Wang, J., Jia, ST, & Jia, S. (2016). תובנות חדשות להסדרת ההטרוכרומטין. מגמות בגנטיקה: TIG, 32 (5), 284–294.
6. Zhang, P., Torres, K., Liu, X., Liu, CG, & Pollock, RE (2016). סקירה כללית של חלבונים עם ויסות כרומטין בתאים. מדע החלבון והפפטיד הנוכחי, 17 (5), 401–410.