Chromatin ist ein Komplex von Makromolekülen aus DNA, RNA und Protein, der sich im Kern eukaryotischer Zellen befindet. Chromatin existiert in zwei Formen: Heterochromatin (kondensiert) und Euchromatin (erweitert). Die primären Proteinkomponenten von Chromatin sind Histone, die helfen, DNA in „perlenartige“ Strukturen zu organisieren, die Nukleosomen genannt werden, indem sie eine Basis bereitstellen, auf der die DNA umwickelt werden kann. Ein Nukleosom besteht aus 147 DNA-Basenpaaren, die um einen Satz von 8 Histonen gewickelt sind, die als Octomer bezeichnet werden. Das Nukleosom kann weiter gefaltet werden, um die Chromatinfaser herzustellen. Chromatinfasern werden gewickelt und kondensiert, um Chromosomen zu bilden. Chromatin ermöglicht eine Reihe von Zellprozessen, einschließlich DNA-Replikation, Transkription, DNA-Reparatur, genetische Rekombination und Zellteilung.
Chromatin, Chromosomen und Chromatiden
Menschen verwechseln oft diese drei Begriffe: Chromatin, Chromosom und Chromatid. Während alle diese drei Strukturen aus DNA und Proteinen im Kern bestehen, ist jede eindeutig definiert.
Wie oben erwähnt, besteht Chromatin aus DNA und Histonen, die in dünne, fadenförmige Fasern verpackt sind. Das Chromatin wird weiter kondensiert, um das Chromosom zu bilden. Das Chromatin ist also eine niedrigere Ordnung der DNA-Organisation, während Chromosomen die höhere Ordnung der DNA-Organisation sind.
Chromosomen sind einzelsträngige Gruppierungen von kondensiertem Chromatin. Während der Zellteilungsprozesse von Mitose und Meiose replizieren sich Chromosomen, um sicherzustellen, dass jede neue Tochterzelle die richtige Anzahl von Chromosomen erhält. Ein dupliziertes Chromosom ist doppelsträngig und hat die bekannte X-Form. Die beiden Stränge sind identisch und an einem zentralen Bereich verbunden, der als Zentromer bezeichnet wird.
Ein Chromatid ist einer der beiden Stränge eines replizierten Chromosoms. Chromatiden, die durch ein Zentromer verbunden sind, werden Schwesterchromatiden genannt. Am Ende der Zellteilung trennen sich Schwesterchromatiden und werden zu Tochterchromosomen in den neu gebildeten Tochterzellen.
Die Funktion des Chromatins
DNA-Verpackung
Dies ist die grundlegendste Funktion des Chromatins: die Verdichtung langer DNA-Stränge.Die Länge der DNA im Zellkern ist viel größer als die Größe des Kompartiments, in dem sie gespeichert ist. Um in dieses Kompartiment zu passen, muss die DNA auf irgendeine Weise kondensiert werden. Das Packungsverhältnis wird verwendet, um den Grad zu beschreiben, in dem DNA kondensiert wird. Um das Gesamtpackungsverhältnis zu erreichen, wird DNA nicht direkt in die Struktur des Chromatins verpackt. Stattdessen enthält es mehrere Hierarchien der Organisation.
Die erste Packungsebene wird durch das Wickeln von DNA um das Nukleosom erreicht, was ein Packungsverhältnis von etwa 6 ergibt. Diese Struktur ist sowohl im Euchromatin als auch im Heterochromatin aller Chromosomen invariant. Die zweite Ebene der Verpackung ist die Umhüllung von Perlen in eine 30-nm-Faser, die sowohl in Interphasen-Chromatin als auch in mitotischen Chromosomen vorkommt. Diese Struktur erhöht das Packungsverhältnis auf etwa 40. Die endgültige Verpackung erfolgt, wenn die Faser in Schleifen, Gerüsten und Domänen organisiert ist, die ein endgültiges Verpackungsverhältnis von etwa 1.000 in Interphase-Chromatin und etwa 10.000 in mitotischen Chromosomen ergeben.
Transkriptionsregulation
Transkription ist ein Prozess, bei dem die in der DNA gespeicherte genetische Information von Proteinen gelesen und dann in RNA transkribiert wird, und die RNA wird später in funktionelle Proteine übersetzt. Wenn das Chromatin verstärkt wird und den Zugang zu den gelesenen Proteinen einschränkt, tritt keine Transkription auf. Euchromatin, eine erweiterte Art von Chromatin, kann den Transkriptionsprozess durchführen. Während Heterochromatin, die kondensierte Art von Chromatin, zu eng gepackt ist, als dass DNA von Proteinen gelesen werden könnte.
Schwankungen zwischen offenem und geschlossenem Chromatin können zur Diskontinuität der Transkription oder zum Platzen der Transkription beitragen. Andere Faktoren können wahrscheinlich beteiligt sein, wie die Assoziation und Dissoziation von Transkriptionsfaktorkomplexen mit Chromatin. Das Phänomen kann im Gegensatz zu einfachen probabilistischen Transkriptionsmodellen die hohe Variabilität der Genexpression zwischen Zellen in isogener Population erklären
Chromatin und DNA-Reparatur
Die Verpackung von DNA in das Chromatin stellt eine Barriere für alle DNA-basierten Prozesse dar. Aufgrund der hohen dynamischen Anordnung von Proteinen und DNA kann Chromatin seine Form und Struktur leicht verändern. Die Chromatinrelaxation erfolgt schnell an der Stelle eines DNA-Schadens, wodurch die Reparaturproteine an die DNA binden und diese reparieren können.
Referenz:
1. Kommen D E. Die Struktur und Funktion von Chromatin . Fortschritte in der Humangenetik. Springer US, 1972: 237-431.
2. Widom J. Struktur, Dynamik und Funktion von Chromatin in vitro . Jahresbericht über Biophysik und biomolekulare Struktur, 1998, 27(1): 285-327.
3. Mercer T R, Mattick J S. Struktur und Funktion von langen nichtkodierenden RNAs in der epigenetischen Regulation . Natur Struktur & Molekularbiologie, 2013, 20(3): 300-307.