Организация на еукариотния геном

Jump to first page
ОРГАНИЗАЦИЯ НА
ЕУКАРИОТНИЯ ГЕНОМ
Субмикроскопска структура на
хромозомите. Регулация на
генната активност

Jump to first page
Еукариотния геном е функционална
единица включваща:
гените и другите нуклеотидни
последователности в хаплоидния
набор хромозоми.
Всяка човешка хромозома съдържа от 50х10
6
до 250х10
6
н.д. ДНК
молекула с тези размери има дължина от 1.7 до 8.5 см. когато е
деспирализирана.
Диплоидния набор хромозоми при човек е 46 хромозоми, с обща
дължина на ДНК близо 2m, а тази на метафазните хромозоми е
215 m тоест 10 000 пъти по къса.
Как е възможно 2m ДНК да се съдържа в 10m ядро?-
чрез пакетиране на ДНК с участието на белтъци.

Jump to first page
В еукариотното ядро ДНК асоциирана с белтъци формира
структура наречена хроматин.
Дълго време се смяташе, че хроматинът представлява
статична структура.
Съвременни данни обаче доказаха, че притежава голяма
динамика, необходима за осигуряване на достъп до ДНК за
факторите, които извършват различни процеси върху нея.

Jump to first page
Два основни класа белтъци участват в пакетирането на ДНП-
нишката: хистонови и нехистонови белтъци
Базични протеини с високо % съдържание на (+) заредени АК –
аргинин, лизин и хистидин.
Пет класа хистонови белтъци: H4, H3, H2A, H2B (102-135АК) и
H1(220AK).
Хистоните се изградени от централен (неполярен домен) и два
(базични) крайни, удължени домена, наречени опашки.
Хистонови белтъци:
Всеки домен съдържа
алфа спирален участък
и е разположен под
ъгъл спрямо другите
(хистоново нагъване).

Jump to first page
Хистоните са силно
консервативни протеини,
изключение е Н1, който е
най-слабо консервативен.
Съществуват различни субтипове Н1.
Н5- ядрените еритроцити на риби, влечуги и птици
Н01- сперматозоидите на някои морски безгръбначни.
Н4 хистона е най- консервативния протеин. Н4 изолиран от
грах и телешки тимус се различава само по две аминокиселини.
При някои риби в процеса на гаметогенезата хистоните се
заменят с протамини (те са изградени почти изцяло от
аргинин).

Jump to first page
Хистоновите гени (6хр.при човек) са пример за тандемно
повторени нуклеотидни последователности.
Експресията на различните алели на хистоновите гени е
начин за регулация на генната експресия през различните
етапи на онтогенезата, като и през фазите на клетъчния
цикъл – диференциална експресия на гените.

Jump to first page
Промени в хроматиновата структура чрез включване на
алтернативни хистони (alternative histones)
CENP-A (centromere specific H3 histone) is associated with the
nucleosomes containing centromeric DNA

Jump to first page
Нехистонови протеини
Kисели протеини, проявяващи силен афинитет към ДНК.
Варират в различните видове и в различните клетки на един и
същи индивид.
Към нехистоновите белтъци се включват протеините участващи в
репликацията, репарацията и транскрипцията на ДНК, както и в
регулацията на тези процеси.
Техният брой варира от стотици до хиляди, въпреки че не
присъстват едновременно в хроматина.
Нехистоновите белтъци участват
и във високите нива на
спирализация на хроматина,
например като образуват
“белтъчен стълб”, около който се
спирализира 30nm ДНП-нишка.

Jump to first page
Субмикроскопска структура на хромозомите
Първото ниво на
спирализация на ДНК е
образуването на
нуклеозома.
Всяка нуклеозома се
състои от протеинова
капсула около която
участък от ДНК образува
два оборота.
Протеиновата капсула представлява
октамер, изграден от хистоните H4, H3,
H2A, H2B, всеки представен от две
молекули.
Нуклеозома има диаметър 10 nm, а ДНК
скъсява дължината си около 7 пъти. Този
комплекс се нарича ДНП нишка.

Jump to first page
Между две съседни
нуклеозоми има участък от
линкерна - ДНК с дължина от
0 до 80 н.д
Към този участък се свързва
хистона Н1, който е от
значение за второто ниво на
спирализация на ДНК –
образуването на соленоид.
Соленоидът представлява
спирализирана ДНП-нишка.
Соленоидът съдържа от 6 до 8
нуклеозоми в един оборот.
Диаметърът на соленоида е
около 30 nm.
Дължината на ДНК на това ниво
се намалява около 50 пъти.

Jump to first page
Третия етап от кондензацията на ДНП-нишката е
образуването на бримкова структура.
Соленоидът се нагъва около
белтъчен скелет изграден от
не хистонови белтъци.
Образува се бримкова
структура.
Диаметърът на бримковата
структура е около 300 nm.
Ниските нива на
спирализация на ДНП-
нишката – нуклеозома,
соленоид и бримкова
структура се наблюдават в
интерфазното ядро.

Jump to first page
В интерфазното ядро се различават два вида хроматин -
хетеро- и еу- хроматин.
Хетерохроматинът се оцветява
интензивно поради силната
кондензация на хроматина.
Еухроматинът е по-слабо
багрещ се и се характеризира с
по-рехава структура на
хроматина.
Хетерохроматинът е асоцииран с центромера, теломера,
нуклеоларният регион както и по-дължината на цялото рамо при
някои хромозоми, напр. половите хромозоми.
Различават се два вида хетерохроматин: структурен
хетерохроматин (силно кондензиран през целият жизнен цикъл
на клетката, нетранскрибируем, HR) и факултативен
хетерохроматин-кондензирането на хроматина е преходно
явление.

Jump to first page
По-високите нива на спирализация се наблюдават само по
време на делене и водят до получаването на видима метафазна
хромозома.
Бримковата структура се
спирализира и образува
хроматида.
Всяка метафазна хромозома е
съставена от две хроматиди с
диаметър 700 nm.

Jump to first page
Всяка метафазна хроматида е бъдеща анафазна хромозома.
До края на метафазата хроматидите остават
свързани в областта на първичното
прищъпване - центромер.
Крайните участъци на хроматидите се нар.
теломери.
При 13, 14, 15, 21 и 22 хромозоми се наблюдава
т.нар. нуклеоларен хомозомен регион (NOR).
Количествените и
качествени характеристики
на пълния хромозомен
набор се означава с
термина кариотип, а
подреждането на
хромозомите по хомоложни
двойки -кариограма.

Jump to first page Центромер Теломер Нуклеоларен хомозомен
регион (NOR).
Нуклеотидна
секвенция
Високо повторени
нуклеотидни
поcледователности
При S. cerevisiae два къси
консервативни участъка
разделени от АТ –богата
ДНК област от 78 до 86
н.д.
При Drosophila
центромерната област
съдържа две сателитни
последователности,
подвигни генни сегменти
и неповторена ДНК
област.

Теломерната ДНК е
изградена от обратни
повтори, съдържащи
тандемно повторени
прости секвенции, слабо
вариращи в отделните
видове. Най-често
повторите съдържат
секвенцията ТТGGGG
или TTTTGGGG, при
човек ТТАGGG
тандемно
повторени,
амплифицирани
гени за рРНК
Специфично
оцветяване
Центромера е обграден
от хетерохроматинови
блокове и може да се
визуализира при
подходящо оцветяване
(C – banding)
Oцветява се като
хетерохроматин
Оцветява се като
хетерохроматин
Функция От значение за
образуването на
кинетохора; за
захващането и
придвижването на
хромозомите за
делителното вретено
Oбезпечават цялостта на
хромозомата. При
делеция на теломерите се
наблюдава получаването
на лепливи краища и най-
често ринг-хромозоми.
Репликацията на
теломерната ДНК
протича по друг
механизъм с участието на
ензима теломераза.

В интерфазното
ядро изгражда
ядърцето, в
метафазните
хромозоми се
организира като
сателити на
акроцентричните
хромозоми
Молекулна организация на специфични хромозомни области

Jump to first page
Профазните и метафазни хромозоми показват редуващи се
светли и тъмни ивици при определено оцветяване - banding.
При G-оцветяване, участъците от ДНК, които съдържат високо
повторени Г-Ц двойки се багрят по-светло (хипохромни), докато
участъците богати на А-Т двойки се оцветяват по-интензивно и
се виждат като тъмни ивици (хиперхромни).
При картирането на гени повечето се оказват в светлите ивици.
Специфично оцветяване е разработено за центромерните и
сателитни региони.

Jump to first page
Нивата на
регулация на
генната
експресия при
еукариоти :
хроматиновата
структура;
транскрипция;
процесиране на хяРНК;
транспорт на зрялата
РНК;
транслация;
протеинова активност

Jump to first page
Хистонови модификаци – основа на хипотезата
за хистонов код
Посттранслационните модификации на N-края на хистоните
могат да са: ацетилиране, метилиране,фосфорилиране,
убикуитинилиране и др.
Хистоните са едни от най-консервативните протеини в
еволюцията, но са най податливи на химични модификации

Jump to first page
Регулация чрез посттранслационна модификация на
хистонови белтъци
Хроматиновата регулация може
да се раздели на:
Степен на спирализация на
хроматина
Модификация на нуклеотидите
от ДНК
Ремоделиране на хроматина

Jump to first page

Ацетилирането
намалява афинитета на
хистоните към ДНК.
Тази модификация
контролира достъпа на
TF до нуклеотидните
секвенции– активиране
на гените

Jump to first page Jenuwein, 2001.
Метилиране на H3 Lys9
– PHD протеини са молекулни
превключватели между eу-и хетеро
хроматин (polycomb represion complex)

Jump to first page
acetylation methylation phosphorylation
ubiquitination ADP-ribosylation SUMO-lyation
Хистонов код

Jump to first page
Метилира се цитозина от
CpG острови на ДНК
молекулата с участието на
ензими – ДНК метил
трансферази. CG
островите – 60% в
промоторите на ч. гени
Хипометилираните гени
са активни (напр.
рибозомните гени),
докато
хиперметилирането се
асоциира с генна
репресия.
ДНК метилиране

Jump to first page
Видове ДНК метилиране и
метилтрансферази (DNMT):
Поддъжащи метил-
трансферази
DNMT1
De novo метил-
трансферази
DNMT3A и DNMT3B

Jump to first page
Видове
метили-
ране:

А- поддър-
жащо
метилиране

В- de novo
метилиране

С-човешки
DNMT3B ген
ICF- синдром
immunodeficiency
centromeric
instability and
facia anomalies
1,9,16 хр.
FSHD-
RTT- миопатия
умствена
изостаналост при
жени