ما هو تغليف الحمض النووي؟ - مادة الاحياء - 2026

و التعبئة والتغليف من الحمض النووي هو المصطلح الذي يحدد الضغط رقابة من DNA في الخلية. لا توجد في أي خلية (وفي الواقع ، حتى في الفيروسات) خالية من الحمض النووي ، وفضفاضة ، وفي محلول حقيقي.

الحمض النووي هو جزيء طويل للغاية يتفاعل دائمًا أيضًا مع مجموعة كبيرة ومتنوعة من البروتينات المختلفة. من أجل المعالجة والوراثة والتحكم في تعبير الجينات التي يحملها ، يتبنى الحمض النووي تنظيمًا مكانيًا معينًا. يتم تحقيق ذلك بواسطة الخلية من خلال التحكم الصارم في كل خطوة من خطوات تغليف الحمض النووي على مستويات مختلفة من الضغط.

الكروماتين: من استرخاء (يسار) إلى مكثف (يمين). مأخوذة من commons.wikimedia.org

تمتلك الفيروسات استراتيجيات تغليف مختلفة لأحماضها النووية. أحد الأشياء المفضلة هو تشكيل اللوالب المدمجة. يمكن القول أن الفيروسات عبارة عن أحماض نووية مغلفة في نفس البروتينات التي تغطيها وتحميها وتعبئها.

في بدائيات النوى ، يرتبط الحمض النووي بالبروتينات التي تحدد تكوين حلقات معقدة في بنية تسمى نوكليويد. من ناحية أخرى ، فإن أقصى مستوى لضغط الحمض النووي في خلية حقيقية النواة هو الكروموسوم الانقسامي أو الكروموسوم الانقسام.

المثال الوحيد الذي لا يتم فيه تغليف B-DNA هو مختبر أبحاث يسعى إلى تحقيق هذا الغرض.

هيكل الحمض النووي

يتكون الحمض النووي من شريطين متعارضين يشكلان حلزونًا مزدوجًا. يحتوي كل واحد منهم على هيكل عظمي لرابطة الفوسفوديستر حيث يتم ربط السكريات المرتبطة بالقواعد النيتروجينية.

داخل الجزيء ، تشكل القواعد النيتروجينية لفرقة واحدة روابط هيدروجينية (اثنان أو ثلاثة) مع النطاق التكميلي.

في جزيء مثل هذا ، تُظهر معظم زوايا الرابطة المهمة دورانًا حرًا. تعتبر روابط سكر النيتروجين الأساسي ومجموعة فوسفات السكر وروابط الفوسفوديستر مرنة.

يسمح هذا للحمض النووي ، الذي يُنظر إليه على أنه قضيب مرن ، بإظهار بعض القدرة على الانحناء والالتواء. تسمح هذه المرونة للحمض النووي باعتماد هياكل محلية معقدة ، وتشكيل حلقات تفاعل على مسافات قصيرة ومتوسطة وطويلة.

تشرح هذه المرونة أيضًا كيف يمكن الحفاظ على مترين من الحمض النووي في كل خلية ثنائية الصبغيات للإنسان. في الأمشاج (خلية أحادية الصيغة الصبغية) ، سيكون مترًا من الحمض النووي.

النواة البكتيرية

على الرغم من أنها ليست قاعدة غير قابلة للكسر ، فإن الكروموسوم البكتيري موجود كجزيء DNA مزدوج النطاق مزدوج الالتفاف.

يلتف اللولب المزدوج أكثر على نفسه (أكثر من 10 نقاط أساس لكل دورة) وبالتالي ينتج بعض الضغط. يتم أيضًا إنشاء العقد المحلية بفضل التلاعبات التي يتم التحكم فيها عن طريق الإنزيم.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك تسلسلات في الحمض النووي تسمح للمجالات بالتشكل في حلقات كبيرة. نحن نطلق على الهيكل الناتج عن التبريد الفائق والحلقات المرتبة نوويًا.

تخضع هذه التغيرات الديناميكية بفضل بعض البروتينات التي توفر بعض الاستقرار الهيكلي للكروموسوم المضغوط. درجة الضغط في البكتيريا والعتائق فعالة للغاية بحيث يمكن أن يكون هناك أكثر من كروموسوم واحد لكل نوكليويد.

يضغط النوكليويد على الحمض النووي بدائية النواة حوالي 1000 مرة على الأقل. إن البنية الطوبولوجية للنيوكليويد هي جزء أساسي من تنظيم الجينات التي يحملها الكروموسوم. أي أن الهيكل والوظيفة يشكلان نفس الوحدة.

مستويات انضغاط كروموسوم حقيقيات النواة

الحمض النووي في نواة حقيقية النواة ليس عارياً. يتفاعل مع العديد من البروتينات أهمها الهيستونات. الهيستونات عبارة عن بروتينات صغيرة موجبة الشحنة ترتبط بالحمض النووي بطريقة غير محددة.

في النواة ما نلاحظه هو DNA معقد: هيستونات ، والتي نسميها الكروماتين. الكروماتين عالي التكثيف ، والذي لا يتم التعبير عنه بشكل عام ، هو الكروماتين المتغاير. في المقابل ، فإن الأقل ضغطًا (أضعف) ، أو كروماتين حقيقي ، هو الكروماتين مع الجينات التي يتم التعبير عنها.

يحتوي الكروماتين على مستويات مختلفة من الضغط. أبسط هو النواة. يتبعه ألياف الملف اللولبي وحلقات الكروماتين الطورية. فقط عندما ينقسم الكروموسوم تظهر مستويات الضغط القصوى.

النواة

النيوكليوسوم هو الوحدة الأساسية لتنظيم الكروماتين. يتكون كل نوكليوسوم من ثماني من الهستونات التي تشكل نوعًا من الأسطوانة.

يتكون الأوكتامر من نسختين من كل من الهستونات H2A و H2B و H3 و H4. حولهم ، يذهب الحمض النووي حوالي 1.7 مرة. يتبعه جزء صغير من الحمض النووي الحر يسمى رابط 20 نقطة أساس مرتبط بهستون H1 ، ثم نواة أخرى. تبلغ كمية الحمض النووي في جسيم نووي وتلك التي تربطه بآخر حوالي 166 زوجًا قاعديًا.

تعمل خطوة تغليف الحمض النووي هذه على ضغط الجزيء حوالي 7 مرات. أي أننا ننتقل من متر واحد إلى ما يزيد قليلاً عن 14 سم من الحمض النووي.

هذه التعبئة ممكنة لأن الهستونات الموجبة تلغي الشحنة السالبة للحمض النووي ، والتنافر الذاتي الكهروستاتيكي المترتب على ذلك. والسبب الآخر هو أن الحمض النووي يمكن أن ينثني بطريقة تمكنه من قلب ثماني الهستونات.

ألياف 30 نانومتر

يتم جرح ألياف الخرز في قلادة مكونة من العديد من النيوكليوسومات المتعاقبة في هيكل أكثر إحكاما.

على الرغم من أننا لسنا واضحين بشأن الهيكل الذي يتبناه في الواقع ، إلا أننا نعلم أنه يصل سمكه إلى حوالي 30 نانومتر. هذا هو ما يسمى الألياف 30 نانومتر ؛ هيستون H1 ضروري لتكوينه واستقراره.

الألياف 30 نانومتر هي الوحدة الهيكلية الأساسية للكروماتين المتغاير. أن النيوكليوسومات الرخوة ، تلك الخاصة بالكروماتين الحقيقي.

العلاقات والمنعطفات

ومع ذلك ، فإن الألياف 30 نانومتر ليست خطية تمامًا. على العكس من ذلك ، فإنه يشكل حلقات يبلغ طولها حوالي 300 نانومتر ، بطريقة متعرجة ، على مصفوفة بروتينية غير معروفة.

تشكل هذه الحلقات الموجودة على مصفوفة البروتين ألياف كروماتين أكثر إحكاما بقطر 250 نانومتر. أخيرًا ، يصطفون على شكل حلزون واحد بسمك 700 نانومتر ، مما يؤدي إلى ظهور أحد الكروماتيدات الشقيقة للكروموسوم الانقسامي.

في نهاية المطاف ، يضغط الحمض النووي في الكروماتين النووي حوالي 10000 مرة على كروموسوم الخلية المنقسمة. في نواة الطور البيني ، يكون ضغطها مرتفعًا أيضًا نظرًا لأنه يبلغ حوالي 1000 مرة مقارنة بالحمض النووي "الخطي".

الضغط الانتصافي للحمض النووي

في عالم علم الأحياء النمائي ، يُقال إن التولد الأمشاجي يعيد ضبط الإيبيجينوم. أي أنه يمحو علامات الحمض النووي التي تنتجها حياة الشخص الذي أدى إلى ظهور الأمشاج أو تجربتها.

تتضمن هذه العلامات مثيلة الحمض النووي والتعديلات التساهمية للهيستونات (كود الهستونات). ولكن لا تتم إعادة تعيين الإبيجينوم بأكمله. ما تبقى من العلامات سيكون مسؤولاً عن البصمة الوراثية للأب أو الأم.

من الأسهل رؤية إعادة التعيين الضمني إلى تكوين الأمشاج في الحيوانات المنوية. في الحيوانات المنوية ، لا يتم تعبئة الحمض النووي بالهيستونات. لذلك ، فإن المعلومات المرتبطة بتعديلاته في الكائن الحي المنتج لا يتم توريثها بشكل عام.

في الحيوانات المنوية ، يتم حزم الحمض النووي بفضل التفاعل مع بروتينات ربط الحمض النووي غير المحددة والتي تسمى البروتامين. تشكل هذه البروتينات روابط ثاني كبريتيد مع بعضها البعض ، مما يساعد على تكوين طبقات DNA متداخلة لا تتنافر مع بعضها البعض كهروستاتيكيًا.

المراجع

1. ألبرتس ، ب ، جونسون ، أ.د ، لويس ، ج. ، مورغان ، د. ، راف ، إم ، روبرتس ، ك. ، والتر ، بي (2014) البيولوجيا الجزيئية للخلية (الإصدار السادس). دبليو دبليو نورتون وشركاه ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية.
2. Annunziato، A. (2008) تغليف الحمض النووي: النيوكليوسومات والكروماتين. تربية الطبيعة 1:26. (https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. بروكر ، آر جيه (2017). علم الوراثة: التحليل والمبادئ. ماكجرو هيل للتعليم العالي ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية.
4. Martínez-Antonio، A. Medina-Rivera، A.، Collado-Vides، J. (2009) خريطة هيكلية ووظيفية للنيوكليويد البكتيري. بيولوجيا الجينوم ، دوى: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. ماثيو فين ، آر إس ، داس ، آر ، هاربوري ، باب (2008) إعادة قياس الحلزون المزدوج. علم ، 17: 446-449.
6. Travers، AA (2004) الأساس الهيكلي لمرونة الحمض النووي. المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية في لندن ، السلسلة أ ، 362: 1423-1438.
7. Travers، A.، Muskhelishvili، G. (2015) بنية ووظيفة الحمض النووي. مجلة FEBS ، 282: 2279-2295.