מה זה אריזת DNA? - ביולוגיה - 2025

האריזה של ה- DNA היא מונח המגדיר את הדחיסה המבוקרת של ה- DNA בתא. בשום תא (ואכן, אפילו לא בנגיפים) אין DNA, פותר, ופתרון אמיתי.

ה- DNA הוא מולקולה ארוכה במיוחד, שתומכת תמיד באינטראקציה עם מגוון עצום של חלבונים שונים. לצורך עיבוד, ירושה ושליטה בביטוי הגנים שהיא נושאת, DNA מאמצת ארגון מרחבי מסוים. זה משיג על ידי התא על ידי שליטה קפדנית על כל שלב של אריזת DNA ברמות דחיסה שונות.

כרומטין: מ רגוע (משמאל) לעיבוי (מימין). נלקח מתוך commons.wikimedia.org

לוירוסים אסטרטגיות אריזה שונות עבור חומצות הגרעין שלהם. אחד המועדפים הוא זה של היווצרות ספירלות קומפקטיות. ניתן לומר כי נגיפים הם חומצות גרעין הארוזות בחלבונים המכסים, מגנים ומגייסים אותם.

בפרוקריוטות, DNA קשור לחלבונים שקובעים היווצרות לולאות מורכבות במבנה הנקרא נוקלאואיד. הרמה המרבית של דחיסת DNA בתא אוקריוטי, לעומת זאת, היא הכרומוזום המיטוטי או המיוטי.

המקרה היחיד בו לא ארוז DNA-B הוא מעבדת מחקר הרודפת מטרה זו.

מבנה DNA

ה- DNA מורכב משני להקות אנטי-פאראלליות היוצרות סליל כפול. לכל אחד מהם יש שלד של קשר פוספודיאסטר עליו מחוברים סוכרים הקשורים לבסיסים חנקניים.

בתוך המולקולה, הבסיסים החנקניים של להקה אחת יוצרים קשרי מימן (שניים או שלושה) עם הפס המשלים.

במולקולה כמו זו, מרבית זוויות הקשר החשובות מראות סיבוב חופשי. חנקן בסיס סוכר, קבוצת סוכר פוספט וקשרי פוספודיאסטר גמישים.

זה מאפשר ל- DNA, הנתפס כמוט גמיש, להראות יכולת מסוימת להתכופף. גמישות זו מאפשרת ל- DNA לאמץ מבנים מקומיים מורכבים, וליצור לולאות אינטראקציה במרחקים קצרים, בינוניים וארוכים.

גמישות זו גם מסבירה כיצד ניתן לשמור על 2 מטרים של DNA בכל תא דיפלואידי של בן אנוש. בגאמט (תא מפושט) זה יהיה מטר של DNA.

גרעין החיידק

אף על פי שזה לא כלל בלתי ניתן לשבירה, הכרומוזום החיידקי קיים כמולקולת DNA יחידה בעלת גומייה סופר-סלילית.

הסליל הכפול מתפתל יותר לעצמו (יותר מ- 10 bp לכל סיבוב) ובכך מייצר קצת דחיסה. קשרים מקומיים נוצרים גם הודות למניפולציות הנשלטות בצורה אנזימטית.

בנוסף, ישנם DNA ברצפים המאפשרים להיווצר תחומים בלולאות גדולות. אנו קוראים למבנה הנובע מצינון העל והורנו לולאות גרעין.

אלה עוברים שינויים דינמיים בזכות כמה חלבונים המספקים יציבות מבנית מסוימת לכרומוזום הדחוס. מידת הדחיסה בחיידקים ובארכאאה כה יעילה שיכולה להיות יותר מכרומוזום אחד לכל נוקלאאיד.

הגרעין נוקלאאיד דוחס את ה- DNA הפרוקריוטי לפחות פי 1000. המבנה הטופולוגי מאוד של הגרעין הוא חלק מהותי בוויסות הגנים הנושא הכרומוזום. כלומר, מבנה ותפקוד מהווים אותה יחידה.

רמות הדחיסה של הכרומוזום האוקריוטי

ה- DNA בגרעין האוקריוטי אינו עירום. זה אינטראקציה עם חלבונים רבים, שהחשובים שבהם הם היסטונים. היסטונים הם חלבונים קטנים וטעונים חיוביים הנקשרים ל- DNA באופן לא ספציפי.

בגרעין מה שאנו צופים הוא DNA מורכב: היסטונים, אותם אנו מכנים כרומטין. הכרומטין המעובה ביותר, שבאופן כללי אינו בא לידי ביטוי, הוא הטרוכרומטין. לעומת זאת, הפחות דחוס (משוחרר יותר), או אאודרומטין, הוא כרומטין עם גנים שמתבטאים.

לכרומטין רמות דחיסה שונות. היסודי ביותר הוא זה של הגרעין; אחריו מגיעים סיבי סולנואיד ולולאות כרומטין בין-שלבי. רק כאשר כרומוזום מתחלק מוצגות רמות דחיסה מקסימליות.

הגרעין

הגרעין הוא היחידה הבסיסית בארגון הכרומטין. כל נוקלאוזום מורכב מאוקטמר של היסטונים המהווים סוג של תוף.

המתומן מורכב משני עותקים של כל אחד מההיסטונים H2A, H2B, H3 ו- H4. סביבם, ה- DNA נע סביב 1.7 פעמים. אחריו מגיע חלק של DNA חופשי הנקרא קישור 20 כ"ס הקשור להיסטון H1, ואז גרעין נוסף. כמות ה- DNA בגרעין וזה שקושר אותו לאחר הוא כ 166 זוגות בסיס.

שלב אריזת DNA זה דוחס את המולקולה כ 7 פעמים. כלומר, אנו עוברים ממטר עד קצת יותר מ- 14 ס"מ של DNA.

אריזה זו אפשרית מכיוון שההיסטונים החיוביים מבטלים את המטען השלילי של ה- DNA ואת הדחייה העצמית האלקטרוסטטית כתוצאה מכך. הסיבה האחרת היא שאפשר לכופף DNA בצורה כזו שיכולה להפוך את אוקטמר ההיסטונים.

סיבי 30 ננומטר

סיב החרוזים בשרשרת הנוצרת על ידי נוקלאוזומים רבים רצופים נפצע עוד יותר למבנה קומפקטי יותר.

למרות שלא ברור לנו מהו המבנה שהוא מאמצ בפועל, אנו יודעים שהוא מגיע לעובי של בערך 30 ננומטר. זהו מה שמכונה סיב 30 ננומטר; Histone H1 חיוני ליצירתו ויציבותו.

הסיב 30 ננומטר הוא היחידה המבנית הבסיסית של הטרוכרומטין. זה של נוקליאוזומים רפויים, זה של אוקראומטין.

קשרים וסיבובים

עם זאת, הסיב 30 ננומטר אינו ליניארי לחלוטין. נהפוך הוא, הוא יוצר לולאות באורך של כ -300 ננומטר, בצורה מתפתלת, על מטריצת חלבון ידועה מעט.

לולאות אלה על מטריצת חלבון יוצרים סיב כרומטין קומפקטי יותר בקוטר של 250 ננומטר. לבסוף הם מתיישרים כסליל בודד בעובי 700 ננומטר, ומולידים את אחד הכרומטות האחות של כרומוזום מיטוטי.

בסופו של דבר ה- DNA בכרומטין גרעיני דוחס פי 10,000 ככרומוזום התא המפריד. בגרעין הבין-שלבי גם הדחיסה שלו גבוהה מכיוון שהיא פי 1000 לעומת ה- DNA "הליניארי".

הדחיסה המיוטית של ה- DNA

בעולם הביולוגיה ההתפתחותית, אומרים שגמטוגנזה מאפסת את האפיגנום. כלומר, זה מוחק את סימני ה- DNA שחייו של האדם שהוליד את הגאמט שהופק או חווה.

תגיות אלה כוללות מתילציה של DNA ושינוי קוולנטי של היסטונים (קוד להיסטונים). אך לא האפיגנום כולו מאופס. מה שנשאר עם סימנים יהיה אחראי לטבע הגנטי האבהי או האימהי.

ניתן לראות בקלות את האיפוס המרומז לגמטוגנזה בזרע. בזרע, ה- DNA אינו עמוס בהיסטונים. לפיכך, המידע הקשור לשינויים שלו באורגניזם המייצר בדרך כלל אינו מועבר בתורשה.

בזרע, DNA ארוז בזכות האינטראקציה עם חלבונים לא קשורים ל- DNA הנקראים פרוטמינים. חלבונים אלה יוצרים קשרים דיסולפידים זה עם זה, ובכך עוזרים ליצור שכבות DNA חופפות שאינן דוחות זו את זו אלקטרוסטסטית.

הפניות

1. אלברטס, ב., ג'ונסון, א.ד., לואיס, ג'יי, מורגן, ד., רף, מ., רוברטס, ק., וולטר, פ. (2014) ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה 6). WW Norton & Company, ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב.
2. Annunziato, A. (2008) אריזת DNA: נוקלאוזומים וכרומטין. חינוך לטבע 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). גנטיקה: ניתוח ועקרונות. McGraw-Hill השכלה גבוהה, ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) מפה מבנית ופונקציונאלית של גרעין חיידקי. ביולוגיה של גנום, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) מחדש את הסליל הכפול. מדע, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) הבסיס המבני לגמישות ב- DNA. עסקאות פילוסופיות של החברה המלכותית של לונדון, סדרה א, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) מבנה ותפקוד DNA. יומן FEBS, 282: 2279-2295.