CHROMOSOM SANDARA IR MOLEKULIN STRUKTRA VADAS n Chromos

  • Slides: 74
Download presentation
CHROMOSOMŲ SANDARA IR MOLEKULINĖ STRUKTŪRA

CHROMOSOMŲ SANDARA IR MOLEKULINĖ STRUKTŪRA

ĮVADAS n Chromos yra struktūros, talpinančios genetinę medžiagą n n Jos yra DNR ir

ĮVADAS n Chromos yra struktūros, talpinančios genetinę medžiagą n n Jos yra DNR ir baltymų kompleksas Genomas apima visą genetinę medžiagą, kurią turi organizmas n n n Bakterijų genomą dažniausiai sudaro viena žiedinė chromosoma Eukariotų genomą sudaro vienas pilnas branduolinių chromosomų rinkinys Pastaba: n n Eukariotai dar turi mitochondrijų genomą Augalai taip pat turi ir chloroplastų genomą 3 -2

ĮVADAS n Pagrindinė genetinės medžiagos funkcija yra saugoti informaciją, reikalingą organizmui sukurti ir jam

ĮVADAS n Pagrindinė genetinės medžiagos funkcija yra saugoti informaciją, reikalingą organizmui sukurti ir jam funkcionuoti n n DNR molekulė tai daro per savo nukleotidų seką DNR sekos yra būtinos n n 1. 2. 3. 4. n RNR ir ląstelės baltymų sintezei Taisyklingai chromosomų segregacijai Chromosomų replikacijai Chromosomų kompaktizacijai Kompaktizuotos chromos geriau telpa į ląstelių branduolį 3 -3

3. 1 VIRUSŲ GENOMAI n n Virusai yra smulkios infekcinės dalelės, turinčios nukleino rūgštis,

3. 1 VIRUSŲ GENOMAI n n Virusai yra smulkios infekcinės dalelės, turinčios nukleino rūgštis, apgaubtas baltymine kapside Replikacijai virusai naudoja šeimininkų ląsteles n n t. y. , tas ląsteles, kurias jie infekuoja Dauguma virusų turi ribotą šeimininkų ratą n Tipiškai jie infekuoja tik vienos šeimininkų rūšies specifines ląsteles 3 -4

n Bakteriofagai taip pat gali turėti įmovą, bazinę plokštelę ir Lipidinis bisluoksnis uodegos siūlus

n Bakteriofagai taip pat gali turėti įmovą, bazinę plokštelę ir Lipidinis bisluoksnis uodegos siūlus Paimamas kai virusas palieka šeimininko ląstelę Apibendrinta virusų struktūra 3 -5

Virusų genomai n Viruso genomą sudaro viruso genetinė medžiaga n n Viruso genomas gali

Virusų genomai n Viruso genomą sudaro viruso genetinė medžiaga n n Viruso genomas gali būti n n Taip pat vadinama viruso chromosoma Sudarytas iš DNR arba RNR Viengrandininis arba dvigrandininis Žiedinis arba linijinis Virusų genomų dydis varijuoja nuo kelių tūkstančių iki daugiau nei šimto tūkstančio nukleotidų 3 -6

Kai kurių virusų genomų savybės Virusas Šeimininkas Nukleino r. tipas* Dydis** Genų skaičius Parvovirusai

Kai kurių virusų genomų savybės Virusas Šeimininkas Nukleino r. tipas* Dydis** Genų skaičius Parvovirusai Žinduoliai ss. DNR 5. 0 5 Fagas fd E. coli ss. DNR 6. 4 10 Liambda E. coli ds. DNR 48. 5 36 T 4 E. coli ds. DNR 169 >190 Qβ E. coli ss. RNR 4. 2 4 TMV Augalai ss. RNR 6. 4 6 Gripo virusas Žinduoliai ss. RNR 13. 5 12 * ss – viengrandininė (single-stranded); ds – dvigrandininė (double-stranded) ** tūkstančiai nukleotidų ar nukleotidų porų 3 -7

n n Vykstant infekcijai subrendę viruso dalelės turi būti surinktos Paprastos struktūros virusai gali

n n Vykstant infekcijai subrendę viruso dalelės turi būti surinktos Paprastos struktūros virusai gali susirinkti patys n n Genetinė medžiaga ir kapsidės baltymai spontaniškai susijungia Pavyzdys: Tabako mozaikos virusas Kapsidę sudaro 2, 130 identiškų baltyminių subvienetų 3 -8

n Sudėtingiems virusams, tokiems kaip bakteriofagas T 2, būdingas procesas, vadinamas kryptingu susirinkimu (directed

n Sudėtingiems virusams, tokiems kaip bakteriofagas T 2, būdingas procesas, vadinamas kryptingu susirinkimu (directed assembly) n n Virusų susirinkimui reikia baltymų, kurie nėra subrendusio viruso sudedamoji dalis Nekapsidiniai baltymai dažniausiai atlieka dvi pagrindines funkcijas n 1. Vykdo virusinių dalelių surinkimą n n “Karkaso” baltymai (scaffolding proteins) nėra subrendusių virusų dalis 2. Veikia kaip proteazės, skaldančios naujai susintentintus virusų kapsidinius baltymus n Taip gaunami smulkesni kapsidiniai baltymai, iš kurių susiformuoja kapsidė. Paprastai kapsidinių baltymų skaldymas yra signalas pradėti surinkti viruso daleles 3 -9

3. 2 BAKTERIJŲ CHROMOS n n Bakterijų chromos randamos regione, vadinamame nukleoidu Nukleoidas nėra

3. 2 BAKTERIJŲ CHROMOS n n Bakterijų chromos randamos regione, vadinamame nukleoidu Nukleoidas nėra apgaubtas membrana n n Taigi, DNR tiesiogiai kontaktuoja su citoplazma Bakterijos gali turėti nuo vienos iki keturių tos pačios chromos kopijų n Chromosomų skaičius priklauso nuo bakterijų rūšies ir augimo sąlygų 3 -10

n Bakterinė chromosoma dažniausiai yra žiedinė molekulė, kurios ilgis yra keletas milijonų nukleotidų n

n Bakterinė chromosoma dažniausiai yra žiedinė molekulė, kurios ilgis yra keletas milijonų nukleotidų n n n Escherichia coli ~ 4. 6 milijonai bazių porų Haemophilus influenzae ~ 1. 8 milijono bazių porų Tipiška bakterinė chromosoma turi keletą tūkstančių skirtingų genų n n Struktūrinių genų sekos (koduojančios baltymus) sudaro didesniąją bakterinės chromos dalį Netranskribuojama DNR esanti tarp gretimų genų yra vadinama tarpgeniniais (intergenic) regionais 3 -11

Keleto šimtų nukleotidų ilgio Pagrindinės savybės • Daugumos, tačiau ne visų rūšių bakterijos turi

Keleto šimtų nukleotidų ilgio Pagrindinės savybės • Daugumos, tačiau ne visų rūšių bakterijos turi žiedinę chromosominę DNR • Tipiška chromosoma yra kelių milijonų bazių porų ilgio • Daugumos rūšių bakterijos turi vieną chromosomą, tačiau kartais gali būti ir keletas kopijų • Keletas tūkstančių skirtingų genų yra išsidėstę chromosomoje • Viena replikacijos pradžios (origin of replication) seka reikalinga DNR replikacijai inicijuoti • Trumpos pasikartojančios sekos gali būti išsidėstę chromosomoje tarp genų Reikšmingos DNR susipakavimui, replikacijai ir genų ekspresijai 3 -12

n Tam, kad tilptų į bakterinę ląstelę, chromosominė DNR turi būti kompaktizuota maždaug 1000

n Tam, kad tilptų į bakterinę ląstelę, chromosominė DNR turi būti kompaktizuota maždaug 1000 kartų n Vienas tokios kompaktizacijos etapų – kilpų domenų formavimasis Kilpinė struktūra kompaktizuoja chromosomą apie 10 kartų n Kilpų skaičius varijuoja priklausomai nuo bakterinės chromos ilgio ir bakterijų rūšies n E. coli turi 50 -100 kilpų, kuriose yra nuo 40, 000 iki 80, 000 DNR bp 3 -13

n DNR superspiralizacija yra kitas svarbus bakterinės chromos kompaktizacijos būdas Kilpų superspiralizacija sukuria dar

n DNR superspiralizacija yra kitas svarbus bakterinės chromos kompaktizacijos būdas Kilpų superspiralizacija sukuria dar kompaktiškesnę DNR 3 -14

Plokštelės apsaugančios DNR galus nuo laisvo sukimosi Mažiau vijų Šios dvi DNR konformacijos neaptinkamos

Plokštelės apsaugančios DNR galus nuo laisvo sukimosi Mažiau vijų Šios dvi DNR konformacijos neaptinkamos gyvose ląstelėse Tiek persukimas, tiek ir neprisukimas indukuoja superspiralizaciją Daugiau vijų Šios trys DNR konformacijos yra topoizomerai 3 -15

DNR superspiralizacija įtakoja chromosomų funkcijas n Bakterijų chromosominė DNR yra neigiamai superspiralizuota n n

DNR superspiralizacija įtakoja chromosomų funkcijas n Bakterijų chromosominė DNR yra neigiamai superspiralizuota n n E. coli pasižymi viena neigiama superspirale 40 -iai dvigubos spiralės vijų Negiama superspiralizacija turi dvi pagrindines pasekmes n n 1. Padeda chromosomai kompaktizuotis 2. Sukuria tempimo jėgas, korios gali būti išlaisvintos, atskiriant DNR grandines 3 -16

Palengvina DNR replikaciją ir transkripciją 3 -17

Palengvina DNR replikaciją ir transkripciją 3 -17

n Superspiralizaciją bakterijų chromose atlieka du pagrindiniai fermentai n 1. DNR girazė (taip pat

n Superspiralizaciją bakterijų chromose atlieka du pagrindiniai fermentai n 1. DNR girazė (taip pat vadinama DNR topoizomeraze II) n n n 2. DNR topoizomerazė I n n Sukuria neigiamas superspirales naudodama ATP energiją Ji taip pat gali išvynioti teigiamas superspirales, jei jos susidaro Atpalaiduoja (išvynioja) neigiamas superspirales Konkuruojantis šių fermentų veikimas valdo visos bakterinės DNR superspiralizaciją 3 -18

Sveika DNR pereina per plyšį Sudaryta iš dviejų A ir dviejų B subvienetas naudoja

Sveika DNR pereina per plyšį Sudaryta iš dviejų A ir dviejų B subvienetas naudoja ATP šiam procesui katalizuoti Šis procesas DNR struktūroje sukuria dvi neigiamas superspirales Prisiminkite, kad ankstesnioji DNR struktūra turėjo vieną teigiamą superspiralę Padaro A subvienetas 3 -19

n Girazės sugebėjimas daryti neigiamas superspirales DNR struktūroje yra gyvybiškai būtinas bakterijoms n n

n Girazės sugebėjimas daryti neigiamas superspirales DNR struktūroje yra gyvybiškai būtinas bakterijoms n n Šio fermento funkcijos blokavimu yra paremtos kai kurios antibakterinės terapijos Girazę ir kitas bakterines topoizomerazes inhibuoja dvi pagrindinės vaistų grupės n n 1. Chinolonai 2. Kumarinai n n Chinolono pavyzdys yra vaistas Ciprofloxacin (“Cipro”) n n Abi šios vaistų grupės neinhibuoja eukariotinių topoizomerazių Naudojamas šlapimo takų infekcijoms ir juodligei gydyti Kumarinai randami daugelyje augalų n Jų veikimu remiasi kai kurių vaistažolių antibakterinis poveikis 3 -20

3. 3 EUKARIOTŲ CHROMOS n Eukariotiniai organizmai turi vieną arba daugiau chromosomų rinkinių n

3. 3 EUKARIOTŲ CHROMOS n Eukariotiniai organizmai turi vieną arba daugiau chromosomų rinkinių n n n Kiekvieną chromosomų rinkinį sudaro keletas skirtingų linijiškų chromosomų Bendras DNR kiekis eukariotų ląstelėse yra didesnis negu bakterinėse ląstelėse Eukariotų chromos yra išsidėsčiusios branduolyje n Tam, kad čia tilptų, jos turi būti labai kompaktizuotos n n Tai yra pasiekiama prisijungiant daugeliui baltymų DNR ir baltymų kompleksas yra vadinamas chromatinu 3 -21

n n Eukariotų genomo dydis stipriai varijuoja Daugeliu atveju ši variacija nėra susijusi su

n n Eukariotų genomo dydis stipriai varijuoja Daugeliu atveju ši variacija nėra susijusi su rūšių sudėtingumu n n Pavyzdžiui, salamandros Plethodon richmondi genomas yra beveik dvigubai didesnis negu Plethodon larselli Genomo dydžio skirtumai neatsiranda dėl papildomų genų n Pagrindinis tokių skirtumų šaltinis - kartotinės DNR sekos n Šios sekos nekoduoja baltymų 3 -22

Genomas daugiau nei dvigubai didesnis už giminingos rūšies genomą Genomo dydis (bp haploidiniam genomui)

Genomas daugiau nei dvigubai didesnis už giminingos rūšies genomą Genomo dydis (bp haploidiniam genomui) 3 -23

Eukariotinių chromosomų sandara n n Eukariotinė chromosomoma turi ilgą linijinę DNR molekulę Chromosomų replikacijai

Eukariotinių chromosomų sandara n n Eukariotinė chromosomoma turi ilgą linijinę DNR molekulę Chromosomų replikacijai ir segregacijai (išsiskyrimui) reikalingos trijų tipų sekos n n n Replikacijos pradžios (origins of replication) Centromeros Telomeros 3 -24

 • Eukariotinė chromosoma dažniausiai yra linijinė • Tipišką chromosomą sudaro nuo kelių dešimčių

• Eukariotinė chromosoma dažniausiai yra linijinė • Tipišką chromosomą sudaro nuo kelių dešimčių iki kelių šimtų milijonų bazių porų • Eukariotų chromosmos sudaro rinkinius. Dauguma rūšių yra diploidinės, t. y. turi dvigubą chromosomų rinkinį • Genai chromosomoje yra išsibarstę. Tipiška chromosoma turi nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių skirtingų genų • Kiekviena chromosoma turi daug replikacijos pradžios sekų, kurios yra išsidėstę maždaug kas 100 000 bazių porų • Kiekviena chromosoma turi centromerą, kuri formuoja kinetochoro baltymų atpažinimo vietą • Telomeroms būdingos specifinės sekos, esančios abiejuose linijinės chromos galuose • Kartotinės sekos dažniausiai randamos centromeriniuse ir telomeriniuose regionuose, tačiau taip pat gali būti išsibarstę po visą chromosomą 3 -25

n Genai yra išsidėstę tarp chromos centromerinių ir telomerinių regionų n n Viena chromosoma

n Genai yra išsidėstę tarp chromos centromerinių ir telomerinių regionų n n Viena chromosoma dažniausiai turi nuo kelių šimtų iki keletos tūkstančių genų Žemesniųjų eukariotų (tokių, kaip mielės) n Genai yra santykinai maži n n n Juos daugiausia sudaro sekos, koduojančios polipeptidus t. y. , šiuose genuose yra labai mažai intronų Aukštesniųjų eukariotų (tokių, kaip žinduoliai) n Genai yra ilgi n Jie turi daug intronų 3 -26

DNR sekos n Išskiriami trys pagrindiniai DNR sekų tipai n n n Unikalios ar

DNR sekos n Išskiriami trys pagrindiniai DNR sekų tipai n n n Unikalios ar žemo dažnio kartotinės sekos Vidutinio dažnio kartotinės sekos Aukšto dažnio kartotinės sekos 3 -27

DNR sekos n Unkalios arba mažo dažnio kartotinės sekos n n n Genome randamos

DNR sekos n Unkalios arba mažo dažnio kartotinės sekos n n n Genome randamos vieną arba keletą kartų Jas sudaro struktūriniai genai ir tarpgeninės sritys Vidutinio dažnio kartotinės sekos n n Randamos nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių kartų Jas sudaro n n n r. RNR ir histonų genai Replikacijos pradžios Judrieji genomo elementai (transpozonai) 3 -28

DNR sekos n Aukšto dažnio kartotinės sekos n Randamos nuo dešimčių tūkstančių iki milijonų

DNR sekos n Aukšto dažnio kartotinės sekos n Randamos nuo dešimčių tūkstančių iki milijonų kartų Kiekviena kopija yra santykinai trumpa (nuo kelių iki kelių šimtų nukleotidų ilgio) n Kai kurios sekos yra išsklaidytos (disperguotos) genome n n n Pavyzdys: Alu šeima žmogaus genome Kitos sekos sudaro tandemiškas sankaupas n n Pavyzdys: AATAT ir AATATAT sekos Drosophila melanogaster genome Dažniausiai jos randamos centromeriniame regione 3 -29

Aukšto dažnio kartotinių DNR sekų išskyrimas n n n Nustatyta, kad eukariotų chromosomų centromeriniai

Aukšto dažnio kartotinių DNR sekų išskyrimas n n n Nustatyta, kad eukariotų chromosomų centromeriniai ir telomeriniai regionai yra labai kompaktiški arba heterochromatininiai Ankstyvieji citologiniai tyrimai parodė, kad aukšto dažnio kartotinės sekos yra išsidėstę heterochromatininėse chromosomų srityse Vėliau buvo sukurti biocheminiai metodai, leidžiantys išskirti aukšto dažnio kartotines DNR sekas 3 -30

n Drosophila buvo pasirinkta kaip idealus tyrimo organizmas n n Tandeminių kartotinų sekų nukleotidų

n Drosophila buvo pasirinkta kaip idealus tyrimo organizmas n n Tandeminių kartotinų sekų nukleotidų sudėtis skiriasi nuo likusios chromosominės DNR n n n Didelė jos genomo dalis (19%) yra heterochromatininė Minėtąsias tandemines sekas 100% sudaro AT Likusios chromosominės DNR sąstatas yra maždaug ~ 60% AT ir 40% GC AT ir GC poros gali būti atskirtos pagal savo santykinį tankį n AT porų santykinis tankis yra mažesnis, nei GC porų 3 -31

Hipotezė n Aukšto dažnio kartotinių DNR sekų nukleotidų sudėtis skiriasi nuo likusios chromosominės DNR

Hipotezė n Aukšto dažnio kartotinių DNR sekų nukleotidų sudėtis skiriasi nuo likusios chromosominės DNR n Jei taip, tada kartotinė DNR gali būti atskirta nuo likusios DNR, naudojant centrifūgavimą Cs. Cl tankio gradiente 3 -32

3 -33

3 -33

3 -34

3 -34

Duomenys 3 -35

Duomenys 3 -35

Duomenų interpretacija 80% Drosophila DNR būdingas šis tankis. Dauguma šios DNR yra ne heterochromatininė

Duomenų interpretacija 80% Drosophila DNR būdingas šis tankis. Dauguma šios DNR yra ne heterochromatininė Šie DNR pikai yra vadinami satelitine DNR Jų sudėtyje yra daugiau lengvesnių bazių, lyginant su likusia chromosomine DNR Ši DNR sekvenuota. Tai AATAT ir AATATAT tandeminiai pasikartojimai 3 -36

Renatūracijos tyrimai n n Renatūracijos tyrimai yra naudingi, tiriant genomo sandarą Renatūracijos greičio tyrimą

Renatūracijos tyrimai n n Renatūracijos tyrimai yra naudingi, tiriant genomo sandarą Renatūracijos greičio tyrimą sudaro keletas pakopų: n n n 1. Dvigrandininė DNR yra suardoma į smulkius gabalėlius 2. Šie gabalėliai yra “ištirpinami” iki viengrandininės DNR, veikiant šiluma 3. Temperatūra palaipsniui žeminama, leidžiant komplementarioms DNR grandinėms renatūruotis 3 -37

DNR grandinių renatūracija 3 -38

DNR grandinių renatūracija 3 -38

Renatūracijos tyrimai n n Komplementarių DNR grandinių skirtingas renatūracijos greitis leidžia išskirti tris kartotinių

Renatūracijos tyrimai n n Komplementarių DNR grandinių skirtingas renatūracijos greitis leidžia išskirti tris kartotinių DNR sekų tipus Tam tikros DNR sekos renatūracijos greitis priklauso nuo jai komplementarių sekų koncentracijos n Aukšto dažnio kartotinės sekos renatūruosis greičiausiai n n Jos komplementarių kopijų yra daugiausia Unikalios sekos renatūruosis lėčiausiai n Tokioms komplementarioms sekoms reikia papildomai laiko, kas susirastų viena kitą 3 -39

n n Renatūracijos kinetika gali būti aprašyta gana paprasta matematine fromule kur n n

n n Renatūracijos kinetika gali būti aprašyta gana paprasta matematine fromule kur n n C = viengrandininės DNR koncentracija laiko t momentu C 0 = Viengrandininės DNR koncentracija reakcijos pradžioje k 2 = reakcijos antros eilės kinetikos konstanta Šioje lygtyje C/ C 0 yra frakcija DNR, kuri yra vis dar viengrandininė, praėjus tam tikram laikui 3 -40

n n Renatūracijos eksperimentai gali suteikti kiekybinės informacijos apie DNR sekų sandarą Renatūracijos greitis

n n Renatūracijos eksperimentai gali suteikti kiekybinės informacijos apie DNR sekų sandarą Renatūracijos greitis grafiškai gali būti pavaizduotas kaip C/C 0 priklausomybė nuo C 0 t n Tokia priklausomybė yra vadinama C 0 t kreive n Tariama: “kot” kreivė 3 -41

60 -70% žmogaus DNR sudaro unikalios sekos Žmogaus chromosomų DNR C 0 t kreivė

60 -70% žmogaus DNR sudaro unikalios sekos Žmogaus chromosomų DNR C 0 t kreivė 3 -42

Eukariotų chromatino kompaktizavimas n Jei pilnai išvynioti DNR, esančią viename žmogaus chromosomų rinkinyje, jos

Eukariotų chromatino kompaktizavimas n Jei pilnai išvynioti DNR, esančią viename žmogaus chromosomų rinkinyje, jos ilgis būtų daugiau nei 1 metras n Tuo tarpu ląstelės branduolio diametras yra nuo 2 iki 4 mm diametro n n Todėl DNR turi būti labai stipriai kompaktizuota Linijinės DNR kompaktizacija eukariotų chromose vyksta sąveikaujant DNR ir įvairiems baltymams n Skirtingais ląstelės gyvavimo periodais prie DNR gali prisitvirtinti skirtingi baltymai n Šie kitimai įtakoja chromatino kompaktizacijos laipsnį 3 -43

Nukleosomos n n Eukariotų chromatino pasikartojantys struktūriniai vienetai yra nukleosomos Ji sudaryta iš dvigrandininės

Nukleosomos n n Eukariotų chromatino pasikartojantys struktūriniai vienetai yra nukleosomos Ji sudaryta iš dvigrandininės DNR, apsivyniojusios and histoninių baltymų oktamero n n Oktamerą sudaro po dvi keturių skirtingų histonų molekulės 146 bp DNR formuoja 1. 65 neigiamos superspiralės vijos apie oktamerą 3 -44

Ilgis kinta nuo 20 iki 100 bp, priklausomai nuo rūšies ir ląstelių tipo n

Ilgis kinta nuo 20 iki 100 bp, priklausomai nuo rūšies ir ląstelių tipo n Nukleosomos diametras Bendra susijungusių nukleosomų struktūra primena karoliukų vėrinį n Ši struktūra sutrumpina DNR maždaug septynis kartus 3 -45

3 -46

3 -46

3 -47

3 -47

n Histonai yra baziniai baltymai n Jų sudėtyje yra daug teigiamai įkrautų aminorūgščių n

n Histonai yra baziniai baltymai n Jų sudėtyje yra daug teigiamai įkrautų aminorūgščių n n n Tokių, kaip lizinas ir argininas Jos jungiasi su fosfatais, esančiais DNR karkase Yra penki histonų tipai n H 2 A, H 2 B, H 3 ir H 4 yra šerdies histonai n n Oktamerą sudaro po dvi kiekvieno šių histonų molekulės H 1 yra jungties histonas n n Jungiasi prie jungties DNR Taip pat jungiasi prie nukleosomos n Tačiau ne taip stipriai, kaip šerdies histonai 3 -48

Svarbūs chromosomų struktūrai ir kompaktizacijai 3 -49

Svarbūs chromosomų struktūrai ir kompaktizacijai 3 -49

Nukleosomos struktūros tyrimai n n Nukleosomos struktūros modelį 1974 m. pasiūlė Rogeris Kornbergas Kornbergo

Nukleosomos struktūros tyrimai n n Nukleosomos struktūros modelį 1974 m. pasiūlė Rogeris Kornbergas Kornbergo modelis rėmėsi įvairiais chromatino tyrimais n n n Biocheminiais eksperimentais Rentgeno difrakcijos tyrimais Elektroninės mikroskopijos vaizdais 3 -50

Nukleosomos struktūros tyrimai n n Markus Noll nusprendė patikrinti Kornbergo modelį Jis tai darė

Nukleosomos struktūros tyrimai n n Markus Noll nusprendė patikrinti Kornbergo modelį Jis tai darė taip: n n n Karpė DNR su fermentu DNAze I Tiksliai matavo susidarančių fragmentų molekulinę masę Eksperimento pagrindinė idėja buvo ta, kad jungties DNR yra geriau pasiekiama karpymui, negu DNR, apsivijusi aplink nukleosomos šerdį n Jei iš tiesų yra taip, tada DNAzė I turi kirpti DNR būtent jungties vietoje 3 -51

Hipotezė n Taigi, eksperimentas tyrė, ar teisingas “karoliukų vėrinio” chromatino modelis n Jei modelis

Hipotezė n Taigi, eksperimentas tyrė, ar teisingas “karoliukų vėrinio” chromatino modelis n Jei modelis teisingas, DNAzė I turi kirpti DNR jungties regione n Tada susidarantys DNR fragmentai turėtų būti maždaug 200 bp ilgio 3 -52

3 -53

3 -53

Rezultatai 3 -54

Rezultatai 3 -54

Rezultatų interpretacija Šie ilgesni fragmentai yra kartotiniai 200 bp Esant žemoms koncentracijoms, DNazė I

Rezultatų interpretacija Šie ilgesni fragmentai yra kartotiniai 200 bp Esant žemoms koncentracijoms, DNazė I nesukarpo visų jungčių DNR O šį - trys Šį fragmentą sudaro dvi nukleosomos Visa chromosominė DNR sukarpyta į ~ 200 bp ilgio fragmentus 3 -55

Nukleosomos susijungia, sudarydamos 30 nm siūlą n n Nukleosomos asocijuoja viena su kita, sudarydama

Nukleosomos susijungia, sudarydamos 30 nm siūlą n n Nukleosomos asocijuoja viena su kita, sudarydama kompaktiškesnę struktūrą, vadinamą 30 nm siūlu Histonas H 1 yra svarbus, vykstant šiai kompaktizacijai n Esant vidutinėms druskų koncentracijoms, H 1 yra pašalinamas n n Gaunamas klasikinis “karoliukų vėrinio” vaizdas Esant žemai druskų koncentracijai, H 1 lieka prisitvirtinęs n “Karoliukai” asocijuoja, sudarydami kompaktiškesnę struktūrą 3 -56

Vidutinė druskų koncentracija Žema druskų koncentracija 3 -57

Vidutinė druskų koncentracija Žema druskų koncentracija 3 -57

n n 30 nm siūlas sutrumpina bendrą DNR ilgį dar septynis kartus Jo struktūrą

n n 30 nm siūlas sutrumpina bendrą DNR ilgį dar septynis kartus Jo struktūrą sunku nustatyti, nes DNR konformacija gali būti stipriai pakeista ekstrakcijos iš ląstelės metu n n Yra pasiūlyti du struktūros modeliai Solenoido modelis n. Erdvinis zigzago modelis n 3 -58

Reguliari, spiralinė konfigūracija, turinti šešias nukleosomas vienoje vijoje Nereguliari konfigūracija, kurioje nukleosomos turi mažai

Reguliari, spiralinė konfigūracija, turinti šešias nukleosomas vienoje vijoje Nereguliari konfigūracija, kurioje nukleosomos turi mažai tiesioginių kontaktų Solenoido modelis Erdvinis zigzago modelis 3 -59

Tolimesnė chromatino kompaktizacija n n n Ką tik aptarti chromatino kompaktizacijos lygmenys kompaktizuoja DNR

Tolimesnė chromatino kompaktizacija n n n Ką tik aptarti chromatino kompaktizacijos lygmenys kompaktizuoja DNR apie 50 kartų Trečiasis kompaktizacijos lygmuo atsiranda sąveikaujant 30 nm siūlui ir branduolio matriksui (pagrindui) Branduolio matriksą sudaro du komponentai n n Branduolio lamina Vidiniai matrikso baltymai n 10 nm siūlas ir asocijuoti baltymai 3 -60

3 -61

3 -61

n Trečiasis DNR kompaktizacijos mechanizmas yra radialinių kilpų (radial loops) domenų formavimasis Matrix-attachment regions

n Trečiasis DNR kompaktizacijos mechanizmas yra radialinių kilpų (radial loops) domenų formavimasis Matrix-attachment regions (MARs) arba Scaffold-attachment regions (SARs) Nuo 25, 000 iki 200, 000 bp MARs yra prikabinti prie branduolio matrikso, taip sudarydami radialines kilpas 3 -62

Tolimesnė chromatino kompaktizacija n Radialinių kilpų prisitvirtinimas prie branduolio matrikso yra svarbus dėl dviejų

Tolimesnė chromatino kompaktizacija n Radialinių kilpų prisitvirtinimas prie branduolio matrikso yra svarbus dėl dviejų priežasčių n 1. Svarbus genų veiklos reguliavimui n 2. Padeda išdėstyti chromosomas branduolyje n Kiekviena chromosoma branduolyje yra išsidėsčiusi diskrečioje ir nepersidengiančioje chromosomų teritorijoje 3 -63

3 -64

3 -64

Heterochromatinas ir euchromatinas n Interfazės stadijoje esančių chromosomų kompaktizacijos lygmuo nėra vienodas visose chromos

Heterochromatinas ir euchromatinas n Interfazės stadijoje esančių chromosomų kompaktizacijos lygmuo nėra vienodas visose chromos srityse n Euchromatinas n n Mažiau kondensuoti chromosomų regionai Transkripciškai aktyvūs Regionai, kuriuose 30 nm siūlas formuoja radialinių kilpų domenus Heterochromatinas n n n Standžiai kompaktizuoti chromosomų regionai Transkripciškai neaktyvūs (dažniausiai) Radialinių kilpų domenai dar labiau kompaktizuoti 3 -65

n Yra du heterochromatino tipai n Konstitutyvusis heterochromatinas n n n Regionai, kurie visada

n Yra du heterochromatino tipai n Konstitutyvusis heterochromatinas n n n Regionai, kurie visada yra heterochromatininiai Pastoviai transkripciškai neaktyvūs Fakultatyvusis heterochromatinas n Regionai, kurie gali keisti savo statusą tarp euchromatino ir heterochromatino 3 -66

3 -67

3 -67

Euchromatino kompaktizacijos lygmuo Interfazės stadijoje dauguma chromosomų regionų yra euchromatininiai Heterochromatino kompaktizacijos lygmuo 3

Euchromatino kompaktizacijos lygmuo Interfazės stadijoje dauguma chromosomų regionų yra euchromatininiai Heterochromatino kompaktizacijos lygmuo 3 -68

Metafazinės chromos n Kai ląstelės pasiekia M stadiją, chromatino kompaktizacijos laipsnis labai ryškiai keičiasi

Metafazinės chromos n Kai ląstelės pasiekia M stadiją, chromatino kompaktizacijos laipsnis labai ryškiai keičiasi n n n Chromatidės tampa pilnai heterochromatininės Jų bendras plotis sudaro apie 1400 nm Šiose labai kondensuotose chromose beveik nevyksta genų transkripcija 3 -69

Metafazinės chromos n Metafazinėse chromose radialinės kilpos yra labai kompaktizuotos ir yra sukibę su

Metafazinės chromos n Metafazinėse chromose radialinės kilpos yra labai kompaktizuotos ir yra sukibę su karkasu n n Karkasas susiformuoja iš branduolio matrikso Radialinių kilpų kompaktizacijai būtini histonai 3 -70

3 -71

3 -71

n Du daugiabaltyminiai kompleksai padeda suformuoti ir palaikyti metafazinių chromosomų struktūrą n Kondensinas n

n Du daugiabaltyminiai kompleksai padeda suformuoti ir palaikyti metafazinių chromosomų struktūrą n Kondensinas n n Kohezinas n n Ypač svarbus chromosomų kondensacijai Svarbus seserinių chromatidžių teisingam išsidėstymui Abiejų sudėtyje yra baltymų, vadinamų SMC baltymais n n Akronimas = Structural maintenance of chromosomes SMC baltymai naudoja ATP energiją ir katalizuoja chromosomų struktūros pokyčius 3 -72

Kilpų skaičius nesikeičia Tačiau kiekvienos kilpos diametras mažesnis Interfazės metu kondensinas yra citoplazmoje Kondensinas

Kilpų skaičius nesikeičia Tačiau kiekvienos kilpos diametras mažesnis Interfazės metu kondensinas yra citoplazmoje Kondensinas jungiasi prie chromosomų ir kompaktizuoja radialines kilpas Kondensinas keliauja į branduolį Kondensino reikšmė metafazinės chromos kondensacijai 3 -73

Kohezinas išlaisvinamas palei visą chromosomų pečių ilgį Kohezinas centromeroje degraduoja Kohezinas lieka centromeroje Kohezino

Kohezinas išlaisvinamas palei visą chromosomų pečių ilgį Kohezinas centromeroje degraduoja Kohezinas lieka centromeroje Kohezino reikšmė taisyklingam chromatidžių išsiskyrimui 3 -74