الكروماتين: أنواعه ، خصائصه ، هيكله ، وظائفه - مادة الاحياء - 2026

ل ونين هو مجمع يتكون من DNA والبروتينات فقط في الكائنات حقيقية النواة. من حيث النسبة ، يحتوي على ما يقرب من ضعف عدد البروتينات الموجودة في المواد الجينية. أهم البروتينات في هذا المركب هي الهستونات - وهي بروتينات صغيرة موجبة الشحنة ترتبط بالحمض النووي من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي الكروماتين على أكثر من ألف بروتين بخلاف الهستونات.

الوحدة الأساسية للكروماتين هي النواة ، التي تتكون من اتحاد الهستونات والحمض النووي. هذا الترتيب يذكرنا بالخرز على القلادة. بعد المرور بجميع المستويات الأعلى من تنظيم الحمض النووي ، سنصل إلى الكروموسومات.

المصدر: Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd

ترتبط بنية الكروماتين ارتباطًا وثيقًا بالتحكم في التعبير الجيني. هناك نوعان رئيسيان: كروماتين حقيقي وكروماتين مغاير.

يتميز كروماتين حقيقي بدرجة منخفضة من الضغط ، مما يترجم إلى مستويات عالية من النسخ. في المقابل ، فإن الهيتروكروماتين غير نشط نسبيًا ، بسبب درجة ضغطه العالية.

من الناحية الهيكلية ، توجد علامات جينية معينة للهستونات النموذجية لكلا النوعين من الكروماتين. بينما يرتبط euchromatin بالأستلة ، يرتبط heterochromatin بانخفاض في المجموعات الكيميائية.

هناك بعض المناطق من الهيتروكروماتين مع وظائف هيكلية ، مثل التيلوميرات والسنتروميرات.

منظور تاريخى

بدأت دراسة المادة الوراثية وتنظيمها البنيوي في عام 1831 عندما وصف الباحث روبرت براون النواة. كان أحد الأسئلة المباشرة لهذا الاكتشاف هو الاستفسار عن الطبيعة البيولوجية والكيميائية لهذا الهيكل.

بدأ توضيح هذه الأسئلة بين عامي 1870 و 1900 ، من خلال تجارب فريدريش ميشر ، الذي قدم كلمة نوكلين. ومع ذلك ، يعدل Walther Flemming المصطلح ويستخدم الكروماتين للإشارة إلى المادة النووية.

مع مرور الوقت ، يبدأ المرء في الحصول على معرفة أعمق للمادة الوراثية وخصائصها. لم يكن ذلك حتى عام 1908 عندما لاحظ الباحث الإيطالي باسكوال باكاريني أن الكروماتين لم يكن متجانسًا وتمكن من تصور أجسام صغيرة داخل النواة.

تم اقتراح أنواع الكروماتين - كروماتين حقيقي وكروماتين مغاير - في البداية من قبل إميل هيتز في عام 1928. لإنشاء هذا التصنيف ، اعتمد هيتز على استخدام البقع.

في عام 1974 اقترح عالم الأحياء روجر كورنبرغ نموذجًا لتنظيم المادة الوراثية في الهياكل المعروفة باسم النيوكليوزومات ، وهي فرضية تم تأكيدها تجريبياً من خلال تجارب ماركوس نول.

ما هو الكروماتين؟

مكونات الكروماتين: DNA والبروتينات

الكروماتين هو بروتين نووي يتكون من اتحاد المادة الوراثية - DNA - مع مجموعة غير متجانسة من البروتينات. هذه الرابطة ديناميكية للغاية وتكتسب شكلاً معقدًا ثلاثي الأبعاد يسمح لها بتنفيذ وظائفها التنظيمية والهيكلية.

واحدة من أهم البروتينات في الكروماتين هي الهستونات ، والتي توجد تقريبًا بنفس نسبة الحمض النووي.

الهستونات هي بروتينات أساسية ، محفوظة بشكل ملحوظ طوال التاريخ التطوري للكائنات العضوية - أي أن الهستونات لدينا لا تختلف كثيرًا مقارنةً بالثدييات الأخرى ، حتى حيوان آخر بعيدًا عن النشوء والتطور.

تكون شحنة الهستونات موجبة ، لذا يمكنها التفاعل من خلال القوى الكهروستاتيكية مع الشحنة السالبة للعمود الفقري للفوسفات الموجود في الحمض النووي. هناك خمسة أنواع من الهيستونات ، وهي: H1 و H2A و H2B و H3 و H4.

هناك أيضًا عدد من البروتينات ذات الطبيعة المختلفة عن الهيستونات التي تشارك في انضغاط الحمض النووي.

انضغاط الحمض النووي: النيوكليوزومات

الوحدة الأساسية للكروماتين هي النيوكليوسومات - وهي هياكل متكررة تتكون من الحمض النووي والهستونات ، وهو شكل موجود في جميع المواد الجينية.

يتم جرح الحلزون المزدوج للحمض النووي في مجمع من ثمانية هيستون يعرف باسم أوكتامر هيستون. يلف الجزيء في حوالي دورتين ، تليهما منطقة قصيرة (بين 20 و 60 زوجًا أساسيًا) تفصل النيوكليوزومات عن بعضها البعض.

لفهم هذا التنظيم ، يجب أن نأخذ في الاعتبار أن جزيء الحمض النووي طويل للغاية (حوالي 2 متر) ويجب أن يتم جرحه بطريقة منظمة لتثبت نفسها في النواة (التي يتراوح قطرها من 3 إلى 10 ميكرومتر). علاوة على ذلك ، يجب أن تكون متاحة للنسخ والنسخ.

يتم تحقيق هذا الهدف بمستويات مختلفة من انضغاط الحمض النووي ، أولها النوكليوزومات المذكورة أعلاه. هذه تشبه الخرز على عقد من اللؤلؤ. يتم جرح ما يقرب من 150 زوجًا أساسيًا من الحمض النووي في المنزل "التهم".

لا توجد قصص حقيقية في البكتيريا. في المقابل ، هناك سلسلة من البروتينات التي تذكرنا بالهيستونات والتي يُفترض أنها تساهم في تغليف الحمض النووي البكتيري.

أعلى منظمة

لا يقتصر تنظيم الكروماتين على المستوى النووي. يتم تجميع هذه الرابطة من البروتينات والحمض النووي معًا في بنية أكثر سمكًا تبلغ حوالي 30 نانومتر - وبسبب هذه السماكة يطلق عليها مستوى "الألياف 30 نانومتر".

يتم تنظيم الكروماتين بسمك 30 نانومتر في شكل حلقات تمتد في نوع من سقالة ذات طبيعة بروتينية (وليس هيستونات).

هذا هو النموذج المستخدم حاليًا ، على الرغم من أنه يمكن توقع آليات ضغط أكثر تعقيدًا. يتكون التنظيم النهائي من الكروموسوم.

أخطاء في تنظيم الكروماتين

يعد ضغط وتنظيم المواد الجينية أمرًا حيويًا للوظائف البيولوجية المتعددة. ارتبطت حالات طبية مختلفة بأخطاء في بنية الكروماتين ، من بينها ثلاسيميا ألفا المرتبطة بالكروموسوم X ، متلازمة روبنشتاين تايبي ، متلازمة كوفين لوري ، متلازمة ريت ، من بين أمور أخرى.

أنواع الكروماتين

هناك نوعان من الكروماتين في الخلية ، يكشف عنهما تطبيق البقع: كروماتين حقيقي (كروماتين حقيقي) وكروماتين مغاير. في الحالة الأولى يتم ملاحظة التلطيخ بشكل ضعيف ، بينما في الحالة الثانية يكون التلوين شديدًا.

هذا التنظيم الهيكلي للحمض النووي فريد من نوعه للكائنات حقيقية النواة وهو ضروري لسلوك الكروموسومات وتنظيم التعبير الجيني.

إذا قمنا بتقييم نسب كلا النوعين من الكروماتين في خلية في الطور البيني ، نجد أن ما يقرب من 90 ٪ من الكروماتين هو كروماتين حقيقي و 10 ٪ المتبقية تتوافق مع الهيتروكروماتين. سوف نصف كل نوع بالتفصيل أدناه:

I. الهيتروكروماتين

مميزات

يرتبط الاختلاف الرئيسي الموجود بين كلا النوعين من الكروماتين بدرجة الضغط أو "التعبئة" للجزيء خلال مراحل محددة في انقسام الخلية.

على الرغم من أن المادة الجينية تبدو مبعثرة بشكل عشوائي في الواجهة ، إلا أنها ليست كذلك.

يوجد تنظيم مهم في هذه المرحلة ، حيث يمكن رؤية تقسيم تفاضلي للمادة الصبغية داخل النواة.

لا يتشابك الحمض النووي للكروموسومات مع خيط الحمض النووي للكروموسومات الأخرى ويبقى في مناطق محددة تسمى مناطق الكروموسومات. يبدو أن هذه المنظمة تساهم في التعبير الجيني.

يتم تكثيف الهيتروكروماتين بشدة ، مما يجعله غير متاح لآلية النسخ - لذلك لا يتم نسخه. كما أنها فقيرة من حيث عدد الجينات التي لديها.

أنواع الهيتروكروماتين

تكون مناطق معينة من الهيتروكروماتين ثابتة في جميع أنحاء سلالات الخلايا - أي أنها ستتصرف دائمًا مثل الهيتروكروماتين. يُعرف هذا النوع من الهيتروكروماتين بأنه مكون. مثال على ذلك المناطق المكثفة من الكروموسومات تسمى السنتروميرات والتيلوميرات.

في المقابل ، هناك أجزاء من الهيتروكروماتين يمكن أن تغير مستوى الضغط استجابة للتغيرات في أنماط النمو أو المتغيرات البيئية.

بفضل الدراسات الجديدة ، يتم إعادة صياغة هذا الرأي وهناك الآن دليل على أن الهيتروكروماتين التأسيسي ديناميكي أيضًا وقادر على الاستجابة للمنبهات.

بناء

أحد العوامل التي تحدد بنية الكروماتين هو التعديلات الكيميائية للهستونات. في حالة الكروماتين غير النشط نسبيًا ، فإنها تظهر هيستونات ناقصة الأسيتيل.

يرتبط الانخفاض في عدد مجموعات الأسيتيل بإسكات الجينات ، لأنه لا يخفي الشحنة الموجبة لليسين ، مما يسمح بتفاعل إلكتروستاتيكي قوي بين الحمض النووي والهستونات.

العلامة التجارية الأخرى الوراثية اللاجينية هي المثيلة. ومع ذلك ، نظرًا لأن إضافة مجموعة الميثيل لا تغير شحنة البروتين ، فإن عواقبها (تنشيط الجينات أو تعطيلها) ليست واضحة جدًا وستعتمد على منطقة هيستون حيث توجد العلامة.

من الناحية التجريبية ، تم العثور على أن مثيلة H3K4me3 و H3K36me3 مرتبطة بتنشيط الجينات وتنشيط H3K9me3 و H3K27me3.

المميزات

في مثال الهيتروكروماتين التأسيسي نذكر السنترومير. تلعب هذه المنطقة الكروموسومية دورًا هيكليًا وتساهم في حركة الكروموسومات أثناء أحداث انقسام الخلايا الانقسامية والانقسام العضلي.

II. كروماتين حقيقي

مميزات

على عكس الهيتروكروماتين ، فإن euchromatin هو جزيء أقل ضغطًا ، لذا فإن آلية النسخ سهلة الوصول (على وجه التحديد إنزيم بوليميريز RNA) ويمكن التعبير عنها بنشاط من خلال المسارات الجينية.

بناء

تتميز بنية الجسيم النووي لكروماتين نشط نسبيًا بهستونات أسيتيل. يرتبط وجود ليسين أحادي الميثيل أيضًا بتنشيط الجينات.

تؤدي إضافة مجموعة أسيتيل إلى بقايا هيستون ليسين هذه إلى تحييد الشحنة الموجبة للحمض الأميني المذكور. النتيجة المباشرة لهذا التغيير هي تقليل التفاعلات الكهروستاتيكية بين هيستون والحمض النووي ، وتوليد كروماتين أكثر مرونة.

يسمح هذا التعديل الهيكلي بتفاعلات المادة الجينية مع آلية النسخ ، والتي تتميز بأنها ضخمة بشكل خاص.

المميزات

يشمل Euchromatin جميع الجينات النشطة والتي يمكن الوصول إليها من خلال الآلية الأنزيمية المتعلقة بالنسخ. لذلك ، فإن الوظائف واسعة مثل وظائف الجينات المعنية.

المراجع

1. Grewal، SI، & Moazed، D. (2003). الهيتروكروماتين والتحكم اللاجيني للتعبير الجيني. علم، 301 (5634) ، 798-802.
2. Jost، KL، Bertulat، B.، & Cardoso، MC (2012). الهيتروكروماتين وتحديد المواقع الجينية: داخل ، خارج ، أي جانب؟ الكروموسوما ، 121 (6) ، 555-563.
3. لوين ، ب. (2008). الجينات التاسع. جونز وبارتليت للنشر.
4. Tollefsbol ، TO (2011). كتيب علم التخلق. الصحافة الأكاديمية.
5. Wang، J.، Jia، ST، & Jia، S. (2016). رؤى جديدة في تنظيم الهيتروكروماتين. الاتجاهات في علم الوراثة: TIG، 32 (5)، 284–294.
6. Zhang، P.، Torres، K.، Liu، X.، Liu، CG، & Pollock، RE (2016). نظرة عامة على البروتينات المنظمة للكروماتين في الخلايا. علم البروتين والببتيد الحالي ، 17 (5) ، 401-410.