Kromatin er formen der DNA presenteres i cellekjernen . Det er basisstoffet til eukaryote kromosomer , og tilsvarer assosiasjonen av DNA, RNA og proteiner som finnes i interfasekjernen til eukaryote celler og som utgjør genomet til nevnte celler. Proteiner er av to typer: histoner og ikke-histonproteiner .
De grunnleggende enhetene til kromatin er nukleosomer . Disse består av omtrent 146 basepar i lengde (antallet avhenger av organismen), assosiert med et spesifikt kompleks av åtte nukleosomale histoner (histone oktamer). Hver partikkel er skiveformet, med en diameter på 11 nm , og inneholder to kopier av hver av de fire histonene H3, H4, H2A og H2B. Denne oktameren danner en proteinkjerne, som DNA-spiralen (ca. 1,8 omdreininger) er viklet rundt. Mellom hver av assosiasjonene av DNA og histoner er det et fritt DNA kalt spacer DNA , med variabel lengde mellom 0 og 80 par nukleotider som garanterer fleksibilitet til kromatinfiberen. Denne typen organisering tillater et første komprimeringstrinn av det genetiske materialet, og gir opphav til en struktur som ligner på en "perlestreng".
Deretter utgjøres et andre organisasjonsnivå av høyere orden av "30 nm-fiberen", sammensatt av grupper av nukleosomer pakket på toppen av hverandre, og vedtar vanlige arrangementer takket være virkningen av histon H1.
Til slutt fortsetter økningen i DNA-emballasje til kromosomene som observeres i metafase er oppnådd , dette er det maksimale nivået av DNA-kondensering.
Kromatin ble oppdaget i 1880 av Walther Flemming , som ga det dette navnet på grunn av dets tilhørighet til fargestoffer. [ 1 ] Histoner ble oppdaget kort tid etter, i 1884, av Albrecht Kossel . Lite fremskritt ble gjort med å bestemme strukturen til kromatin før på 1970-tallet, da de første observasjonene av kromatinfibre kunne gjøres ved elektronmikroskopi , og avslørte eksistensen av nukleosomet , den grunnleggende enheten til kromatin, hvis struktur detaljert ble endelig løst av X- strålekrystallografi i 1997. [ 2 ]
Kromatin kan finnes i to former: Heterochromatin og Euchromatin.
Det er en form for kromatin som er litt komprimert, og viser en stor konsentrasjon av gener, det er den aktive formen . Den er dannet av en fiber med en diameter som tilsvarer nukleosomet, som er et segment av dobbelttrådet DNA kveilet rundt homodimerer av histone H2A, H2B, H3 og H4. I inaktivt eukromatin spoler denne fiberen seg på seg selv takket være histoner H1 for å danne solenoiden. Interaksjonen med andre ikke-histonproteiner (topoisomerase II, stillasproteiner, lamininer,...) forårsaker høyere organiseringsgrader. Når det gjelder heterokromatin, er fiberen som utgjør det mer kondensert og ser ofte ut til å bestå av aggregater. Dens dannelse krever en rekke ekstra proteiner, inkludert HP1-proteiner (Heterochromatin Protein 1 eller protein av heterochromatin1).
Det er en kondensert inaktiv form som hovedsakelig er lokalisert i periferien av kjernen , som flekker sterkt med farger. I 1928 definerte Emil Heitz, basert på histologiske observasjoner, heterokromatin som kromosomsegmenter som virket svært kondenserte og mørke i interfasekjernen. Faktisk er kromatin bygd opp av et virvar av fibre hvis diameter ikke bare varierer i løpet av cellesyklusen, men også avhenger av området av kromosomet som er observert.
Heterochromatin kan være av to forskjellige typer, rikdommen i satellitt-DNA bestemmer både den permanente eller reversible naturen til heterochromatin, så vel som dets polymorfisme og fargeegenskaper :
Det har blitt sett at fenomenet interfererende RNA ofte deltar i dannelsen av heterokromatin . For eksempel, i Schizosaccharomyces pombe , dannes heterokromatin ved sentromeren, telomerene og paringstype loci . [ 3 ] Dannelsen av heterokromatin ved sentromeren avhenger av mekanismen for RNA-interferens ( RNAi ). Komplementære dobbelttrådede RNAer produseres fra repeterende sekvenser lokalisert ved sentromeren, som induserer RNAi etterfulgt av lysin 9 histon 3 metylering og binding av Swi6 (heterokromatin strukturelt protein, som er homologt med HP1 hos pattedyr). [ 4 ]
Egenskaper til heterochromatinTil tross for forskjellene beskrevet ovenfor, har konstitutivt heterochromatin og fakultativt heterochromatin svært like egenskaper.
1. Heterokromatin kondenseres. Dette er faktisk det som definerer heterokromatin, og er derfor anvendelig for både konstitutivt og fakultativt heterokromatin. Denne høye kondensasjonen gjør den sterkt kromofil og utilgjengelig for DNase I og andre restriksjonsenzymer generelt.
2. Heterochromatin DNA replikeres senere.
Inkorporering av forskjellige nukleotidanaloger viser at DNA fra begge typer heterokromatin replikerer sent. Dette er resultatet på den ene siden av dens høye grad av kondensering, som hindrer replikasjonsmaskineriet fra lett å få tilgang til DNA, og på den annen side av plasseringen i et perifert kjernefysisk domene fattig på aktive elementer.
3. Heterochromatin DNA er metylert.
4. I heterokromatin er histonene hypoacetylerte. Histoner kan gjennomgå en rekke post-translasjonelle modifikasjoner ved deres N-terminale ender som kan påvirke kromatinets egen genetiske aktivitet.
5. Histonene til heterokromatin er funnet å være metylert ved lysin 9. Metyleringen av lysin 9 av histon H3 (H3-K9) ser ut til å være nært knyttet til prosessen med heterokromatinisering av genomet, både i dannelsen av konstitutivt heterokromatin som valgfri.
6. Heterochromatin er transkripsjonelt inaktivt.
7. Heterokromatin deltar ikke i genetisk rekombinasjon.
I lang tid har den spesifikke rollen til heterokromatin vært et mysterium, siden polymorfismen ikke så ut til å ha noen funksjonell eller fenotypisk effekt.
I de fleste eukaryoter er sentromerene omgitt av en betydelig masse heterokromatin. Det har blitt antydet at det sentromere heterokromatinet ville være nødvendig for kohesjonen til søsterkromatidene og at det ville tillate normal disjunksjon av de mitotiske kromosomene.
Det antas at sentromert heterokromatin de facto kan skape et rom ved å øke den lokale konsentrasjonen av den sentromere varianten av histoner, CENP-A, og ved å fremme inkorporeringen av CENP-A i stedet for histon.H3 under replikering.
Genuttrykk kan kontrolleres på to nivåer:
Mekanisme for inaktivering i cis:
Kromosomale omorganiseringer kan føre til at en eukromatisk region sammenstiller en heterokromatisk region. I det øyeblikket omorganiseringen eliminerer visse barrierer som beskytter eukromatinet, er den heterokromatiske strukturen i stand til å spre seg i cis til det tilstøtende eukromatinet, og inaktiverer genene som finnes i det. Dette er mekanismen som observeres i posisjonseffektvariasjon (PEV) i Drosophila og ved inaktivering av visse transgener hos mus.
Mekanisme for inaktivering i trans:
Under celledifferensiering kan visse aktive gener transponere inn i et heterokromatisk kjernedomene som får dem til å bli inaktivert. Denne mekanismen er den som har blitt foreslått som en forklaring på samlokaliseringen i lymfocyttkjernene til IKAROS-proteinet med det sentromere heterokromatinet og av genene hvis uttrykk det kontrollerer.
Kromatin er en dynamisk struktur som tilpasser tilstanden til komprimering og pakking for å optimalisere DNA-replikasjon, transkripsjon og reparasjonsprosesser, den spiller en grunnleggende regulatorisk rolle i genuttrykk . De forskjellige komprimeringstilstandene kan assosieres (men ikke entydig) til graden av transkripsjon som vises av genene som finnes i disse områdene. Kromatin er i prinsippet sterkt repressivt for transkripsjon, siden assosiasjonen av DNA med de forskjellige proteinene hindrer prosesjonen av de forskjellige RNA-polymerasene . Derfor er det et variert antall histonmodifiserende og kromatinremodelleringsmaskiner.
Det er for tiden det som er kjent som "histone-koden". De forskjellige histonene kan gjennomgå post-translasjonelle modifikasjoner , for eksempel metylering, acetylering, fosforylering, vanligvis gitt i lysin- eller argininrester . Acetylering er assosiert med aktivering av transkripsjon, siden når et lysin acetyleres, avtar den globale positive ladningen til histonet, som det har lavere affinitet for DNA (som er negativt ladet ). Følgelig er DNA mindre tett bundet, noe som gir tilgang til transkripsjonsmaskineriet. I kontrast er metylering assosiert med transkripsjonell undertrykkelse og sterkere histon-DNA-binding (selv om dette ikke alltid er sant). For eksempel, i gjæren S. pombe , er metylering ved rest lysin 9 av histon 3 assosiert med undertrykkelse av transkripsjon i heterokromatin, mens metylering ved rest lysin 4 fremmer genekspresjon. [ 4 ]
Enzymene som utfører histonmodifikasjonsfunksjoner er histonacetylaser og -deacetylaser, og histonmetylaser og demetylaser, som danner forskjellige familier hvis medlemmer er ansvarlige for å modifisere en bestemt rest av histonens lange hale.
I tillegg til histonmodifikasjoner, er det også kromatinremodelleringsmaskiner, som SAGA, som er ansvarlige for å reposisjonere nukleosomer , enten ved å forskyve dem, rotere dem, eller til og med delvis demontere dem, fjerne noen av histonene som består av nukleosomet og deretter snu dem tilbake til nukleosomer. Generelt er kromatinremodelleringsmaskiner essensielt for transkripsjonsprosessen i eukaryoter, siden det gir tilgang og prosessivitet til polymeraser.
En annen form for kromatinmerking som "inaktiv" kan forekomme på nivået av DNA -metylering, i cytosiner som tilhører CpG-dinukleotider. Generelt er DNA og kromatinmetylering synergistiske prosesser , siden for eksempel når DNA er metylert, er det histonmetylerende enzymer som kan gjenkjenne metylerte cytosiner og metylere nærliggende histoner. På samme måte kan enzymer som metylerer DNA gjenkjenne metylerte histoner, og dermed fortsette metylering på DNA-nivå.
Alle disse modifikasjonene er en del av familien av epigenetiske modifikasjoner .
Mutasjonsbelastningen er høyere i de områdene som presenterer undertrykt kromatin og i regioner der replikasjonen er sen, noe som også er observert ved kreft hos mennesker.
Kromosomkonformasjonsfangstmetoder (vanligvis også kalt 3C-teknologi) er metoder som brukes i molekylærbiologi for å bestemme den romlige organiseringen av kromatin i cellen. Disse metodene kvantifiserer antall interaksjoner av genomiske loci som er nære i 3D-strukturen, men som kan være langt fra hverandre i nukleotidsekvens Mange metoder er utviklet for å studere disse genomiske kontaktene, og alle deler noen innledende trinn: [ 5 ] 1 DNA kryssbinding med formaldehyd . _ 2. Kutting av genomet ved hjelp av endonukleaser 3. Ligering av tilfeldige DNA-fragmenter. ligering av tverrbundne fragmenter favoriseres fremfor løse fragmenter på grunn av nærheten til de tverrbundne fragmentene. 4. Deretter blir de oppnådde fragmentene analysert ved bruk av forskjellige PCR -teknikker .
Dip-c : [ 6 ] kromatinstrukturstudiemetode basert på en modifikasjon av den forrige teknikken for kromatinkonformasjon, Hi-C, kombinert med en genomomfattende amplifikasjon med høy dekning ved multippel amplifikasjon av endemerking kalt META. Spesifikt er biotinligeringstrinnet til Hi-C-metoden modifisert. Disse typer teknikker krever en påfølgende bioinformatisk analyse. I Dip-C etableres en algoritme basert på nabolagshypotesen. Dette postulerer at to homologe haplotyper må ha forskjellige kontaktmønstre, og at de ukjente haplotypene til et kromosom derfor må komme i kontakt i et nært eller nærliggende kromosomområde. Forfatterne definerer nabolaget som en superellipse med en eksponent på 0,5 og en radius på 10 Mb. Denne metoden, i motsetning til de tidligere (3C, 4C, 5C og Hi-C), gjør det mulig å analysere kromatinstrukturen til diploide celler. på enkeltnukleotidpolymorfismer eller SNP-er . På denne måten er det mulig å fastslå hvilken cellehaplotype som er involvert i hver kromosomkontakt. Studien utført med denne metoden bekrefter at den oppdager flere kontakter mellom kromosomene og et lavere antall falske positive.