Hromatin

Hromatin je dispergovan hromozomski materijal interfaznog jedra. Hromatin je prvi uoči Valter Fleming 1882. godine tokom istraživanja ćelijske deobe. Isti naučnik je dao i naziv hromatinu. Od 1882. godine pa do 2006. godine za istraživanja o funkciji i sastavu hromatina dodeljeno je pet Nobelovih nagrada.

Pakovanje DNK

Na osnovu molekulske mase DNK i podatka da jedan puni zavoj ima dužinu od 3,4 nm, lako se može izračunati ukupna dužina ispružene dvolančane zavojnice DNK u nekoj ćeliji. Tako, ukupna dužina dvolančene DNK u jednoj jedinoj ćeliji čoveka iznosi oko 2 m. Dužina potpuno ispružene DNK najvećeg ljudskog hromozoma (hromozom 1) iznosi 85 mm.Treba imati u vidu da je prečnik tipične ćelije oko 20 mikrometara, a njenog jedra 5-10 mikrometara. DNK bakteriofaga T2 je oko 300 puta duža od samog virusa; dužina DNK bakterije E.coli je oko 850 puta veća od same bakterije. Navedeni primeri jasno ukazuju da DNK mora biti upakovana da bi se uopšte mogla smestiti u ćeliju. To podrazumeva da pored sekundarne strukture, postoje i drugi nivoi organizacije DNK. I zaista, u svim ćelijama DNK je superspiralizovana, što znači da je dvostruka spirala još mnogo puta ispresavijana i upakovana. U tom pakovanju učestvuju proteini sa kojima je DNK vezana.

Vrste hromatina

Prema jačini bojenja razlikuju se dve vrste hromatina:

• heterohromatin i
• euhromatin.

Heterohromatin je kondenzovan pa je zbog toga tamnije obojen i lako se uočava u jedru. Euhromatin je difuzan (rasplinut) pa je usled toga svetlije obojen. Ćelije koje intenzivno sintetišu neki protein imaju malo heterohromatina, a dosta euhromatina – njihova jedra su svetlija, jer je heterohromatin neaktivan u transkripciji, dok je euhromatin aktivan.

Struktura hromatinskog vlakna

Elektronska mikrografija - perlasta struktura hromatina

Nukleozom - oktamer (zeleno); DNK (crveno)

U svim ćelijama DNK se nalazi u hromozomima koji se pojavljuju u jedru neposredno pre i za vreme ćelijske deobe. U periodu između dve deobe (u interfazi) hromozomski materijal je raspoređen po celom jedru kao difuzna masa i naziva se hromatin. U vreme metafaze mitoze dužina DNK je kondezovanjem skraćena preko 10. 000 puta u odnosu na interfazu.

Hromatin eukariota se sastoji od:

• DNK,
• proteina i
• male količine RNK.

Proteini hromatina se svrstavaju u dve klase :

• histone, koji su važni za pakovanje DNK
• nehistonske proteine.

Histonski proteini su veoma slični kod različitih eukariotskih organizama, što znači da se tokom evolucije živog sveta nisu mnogo menjali pa se za takve proteine kaže da su konzervativni (očuvani). Tako se histon H4 čoveka i kvasca razlikuju u samo osam aminokiselina

Oni su gradivni proteini hromatina jer učestvuju u pakovanju DNK, koja se oko njih namotava (kao konac oko kalema) da bi se ogromna dužina DNK mogla da smesti u sićušno jedro. Zato se hromatin vidi kao perlasta struktura, gde su perle, ustvari, DNK namotana oko histona i nazivaju se nukleozomi.

Hromatin (obrađen nekim enzimima) se pod mikroskopom može videti kao tanka nit na kojoj su nanizane perle.Tanka nit je DNK, a perle su kompleksi DNK i histona nazvani nukleozomi. Nukleozom se sastoji od histonskog oktamera (okta=osam) oko koga je DNK namotana skoro 2 puta (tačnije 1,8 puta). Oktamer se sastoji od 8 molekula histona: po dva molekula histona H2A, H2B, H3 i H4. Histon H1 je vezan za DNK na mestu gde ona ulazi i napušta nukleozom. Između nukleozoma je tzv. vezujuća(linker) DNK.

Na elektronskom mikroskopu se niz nukleozoma vidi kao niz perli i predstavlja najtanje hromatinsko vlakno (debljine 11 nm). Pakovanjem u nukleozome DNK se prividno skraćuje oko 6 puta, ali to još uvek nije dovoljno za smeštanje DNK u jedro. Ta činjenica ukazuje na postojanje dodatnih nivoa pakovanja DNK kao što su:

• hromatinsko vlakno debljine 30 nm obrazuje se prema dva osnovna modela: solenoidni (sunčani) model i cig-cag model
• hromatinske petlje (debljine od 100 nm) koje se obrazuju daljom spiralizacijom (superspiralizacijom) hromatinskih vlakana.

Nehistonski proteini su uglavnom enzimi koji učestvuju u procesima translacije, replikacije i transkripcije. većiona njih su transkripcioni faktori koji regulišu koji će se deo DNK prepisivati u RNK.

Histoni

Histoni su bazni proteini male molekulske mase koji zajedno sa nehistonskim proteinima, RNK i DNK izgrađuju hromatin, odnosno hromozome. Ukupna masa histona u ćeliji jednaka je približno masi DNK.

Vrste i osobine histona

Razlikuje se pet klasa (vrsta) histona koje se mogu podeliti u dve grupe:

1. grupu tzv. nukleozomskih histona sačinjavaju histoni koji se obeležavaju kao H2A, H2B, H3 i H4 (po nomenklaturi Ciba simpozijuma iz 1975. g.)

2. grupu sačinjavaju histoni obeleženi kao H1.

Histonske klase se međusobno razlikuju po:

• molekulskoj težini,
• broju i
• redosledu aminokiselina.

Molekulska masa H1 iznosi oko 23 000 Da, dok se za ostale histone kreće od 11 000 do 15 000 Da. U H1, H2A i H2B histonima preovlađuje aminokiselina lizin, a H3 i H4 histoni su sa visokim sadržejem arginina. Pozitivno naelektrisani ostaci baznih aminokiselina histona mogu lako da interreaguju sa kiselim fosfatnim grupama u DNK. Kada je razgradnja u pitanju histoni pripadaju vrlo stabilnim proteinima. Prisutni su u skoro svim tipovima eukariotskih ćelija, izuzev malog broja izuzetaka. Tako, u spermatozoidima se umesto histona nalaze mali bazni proteini, tzv. protamini.

Sinteza histona usaglašena je sa sintezom DNK, replikacijom i odvija se uglavnom u S fazi interfaze ćelijskog ciklusa.

Sve ove osobine histona ukazuju na njihovu ulogu u obrazovanju strukture hromatina i pakovanju ogromne dužine DNK u jedro mnogostruko manjeg prečnika. Telesna ljudska ćelija ima 46 hromozoma. Ako se izmeri ukupna dužina DNK u svim hromozoma , dobija se vrednost od oko 2m. Treba imati u vidu da je prečnik jedra 5-10μm. Možda još jedan primer to bolje ilustruje: ukupna dužina DNK u svim ćelijama ljudskog tela iznosi 2x 10¹¹ km, što je mnogo puta veće od obima Zemlje ili rastojanja između Zemlje i Sunca. Zbog toga DNK mora da se namotava i na različite načine pakuje.

Kondezacija i superspiralizacija DNK

Već je rečeno da ukupna dužina ispružene DNK ljudskog hromozoma 1 iznosi 85 mm. Međutim, tokom mitoze i mejoze ovaj hromozom se kondezuje i skraćuje pa njegova dužina iznosi 5 mikrometara. Iako ova kondezacija olakšava transport DNK kroz ćeliju koja se deli, ona takođe čini da su druge funkcije DNK, poput replikacije i transkripcije, otežane.

Postoji nekoliko različitih nivoa strukturne organizacije eukariotskih hromozoma, pri čemu svaki naredni nivo dovodi do dalje, veće kondezacije DNK. Svaki nivo uključuje specifičan skup proteina koji su vezani za DNK kako bi doveli do njene veće kondezacije.

Struktura hromatina - 1- DNK; 2- nukleozomi; 3- solenoidne strukture;4- petlje; 5- trake; 6- metafazni hromozom

Nukleozom

Nukleozom je kompleks DNK i histon i predstavlja strukturnu jedinicu hromatina koja se ponavlja. Nukleozom ima oblik cilindra čiji prečnik iznosi 11 nm, a njegova visina 5, 7 nm . Prve elektronske mikrografije, dobijene 1974. god, pokazale su hromatin obrađen enzimima kao niz perli na tankoj niti. Tanka nit odgovara dvolančanoj DNK, a perle su nukleozomi prečnika 11 nm.

Sastoji od:

• histonskog oktamera, koji formira jezgro
• DNK, koja je namotana oko oktamera skoro 2 puta (tačnije 1,8 puta); njena dužina je oko 200 bp.

Oktamer se sastoji od 8 molekula histona, po dva molekula histona:

• H2A,
• H2B,
• H3 i
• H4.

Histon H1 je vezan za DNK na mestu gde ona ulazi i napušta nukleozom, za tzv. vezujuću (linker) DNK. Vezujuća DNK je ustvari deo DNK lanca između dva nukleozoma. Njena dužina najčešće iznosi oko 55 bp, mada može da varira zavisno od biološke vrste u rasponu od 8-114 bp. Pored toga histon H1 ostvaruje interakciju i sa DNK koja se namotava oko histonskog okramera.

Solenoidne strukture

Obrazovanjem nukleozoma, odnosno, namotavanjem DNK oko 2 puta oko oktamera, ukupna dužina DNK se smanjuje oko 6 puta što još uvek nije dovoljno da bi se ona mogla smestiti u jedro. Kako se nukleozomi prečnika 11 nm upakuju u niti debljine 30 nm nije potpuno razjašnjeno i. Danas su važeća dva osnovna modela kojima se objašnjava dalje pakovanje nukleozoma:

• model solenoidnih (sunčanih) struktura
• cig-cag model.

Solenoidne strukture se sastoje od gusto upakovanih nukleozoma tako da se dobijaju hromatinske niti debljine 30 nm. Nukleozomalna DNK obrazuje superspiralu koja se sastoji od oko 6 nukleozoma po jednom spiralnom navoju pri čemu vezna DNK ostaje u samom centru spirale, ali ne prolazi kroz uzdužnu osu hromatinske niti. Po tome se razlikuje od cig-cag modela po kome vezujuća DNk prelazi preko centralne ose hromatinske niti. Procene su da je DNK obrazovanjem solenoidnih struktura kompaktnija 10-20 puta u odnosu na nukleozome.

Za obrazovanje solenoidnih struktura zaslužan je histon H1 koji se sastoji od oko 220 amino kiselina. Sastoji se od:

• centralnog globularnog dela (tela) koji se vezuje za određeno mesto na nukleozomu (za svaki nukleozom vezan je po jedan molekul H1);
• produžetaka koji su u kontaktu sa veznom DNK i pružaju se do narednog nukleozoma gde se vezuju za centralni deo sledećeg histona H1.

Ni ovaj nivo pakovanja nije dovoljan da se DNK smesti u jedro već je neophodno da se njena dužina prividno smanji oko 10 000 puta. To uslovljava još nekoliko nivoa savijanja tzv. superspiralizacije DNK kao što su petlje i trake koje su prečnika od 100 nm.

Video : Nivoi pakovanja DNK u ćeliji

Literatura

• Dumanović, J, marinković, D, Denić, M: Genetički rečnik, Beograd, 1985.
• Kosanović, M, Diklić, V: Odabrana poglavlja iz humane genetike, Beograd, 1986.
• Lazarević, M: Ogledi iz medicinske genetike, Beograd, 1986.
• Marinković, D, Tucić, N, Kekić, V: Genetika, Naučna knjiga, Beograd
• Matić, Gordana: Osnovi molekularne biologije, Zavet, Beograd, 1997.
• Prentis S: Biotehnologija, Školska knjiga, Zagreb, 1991.
• Ridli, M: Genom - autobiografija vrste u 23 poglavlja, Plato, Beograd, 2001.
• Tatić, S, Kostić, G, Tatić, B: Humani genom, ZUNS, Beograd, 2002.
• Tucić, N, Matić, Gordana: O genima i ljudima, Centar za primenjenu psihologiju, Beograd, 2002.
• Švob, T. i sradnici: Osnovi opće i humane genetike, Školska knjiga, Zagreb, 1990.
• Šerban, Nada: ćelija - strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001