کروماتین چیست؟ – به زبان ساده + شکل و انواع

طول هر رشته DNA سلول‌های یوکاریوتی بسیار بیشتر از هسته چند نانومتری این سلول‌ها است. ۴۶ مولکول DNA در هسته سلول‌های انسان وجود دارد که طول مجموع آن‌ها ۴۶ متر است! این رشته‌ها به شکل کلاف در هم پیچیده DNA همراه پروتئین تبدیل شده و در هسته قرار می‌گیرد. در مرحله اول فشرده شدن، DNA دور کمپلکس اوکتامری پروتئین‌های هیستون می‌پیچید و نوکلئوزوم تشکیل می‌شود. در پایان این مرحله رشته‌های کروماتینی ۱۰ نانومتری تشکیل خواهد شد. نوکلئوزوم‌ها با هم برهم‌کنش داده و مارپیچ‌های سلنوئیدی یا زیگزاگی با قطر ۳۰ نانومتر ایجاد می‌کند. این رشته‌ها پس از چند مرحله پیچ‌خوردگی و ایجاد سوپرکویل‌ها به رشته‌هایی با قطر بیشتر و طول کمتر تبدیل می‌شود. کروموزوم متافازی فشرده‌ترین ساختار DNA در هسته سلول‌های یوکاریوت است که قطری حدود ۱۴۰۰ نانومتر دارد. در این مطلب از مجله فرادرس ساختار کروماتین و انواع آن در مراحل مختلف چرخه سلولی را توضیح می‌دهیم.

کروماتین چیست؟

کروماتین‌، رشته‌های DNA همراه با پروتئین‌ها در هسته سلول‌های یوکاریوتی است. در مراحل مختلف تقسیم میتوز این رشته‌ها فشرده‌تر شده و به آن‌ها کروموزوم گفته می‌شود. در واقع کروماتین و کروموزوم دو شکل ساختاری متفاوت از ماده ژنتیکی سلول‌های یوکاریوتی هستند. هیستون‌ها بیشترین پروتئین‌های همراه کروماتین هستند که نقش اصلی در فشرده شدن کروماتین دارند. زنجیره پلی‌پپتیدی هیستون‌ها بیشتر از توالی آمینواسیدهای بازی آرژنین و لیزین تشکیل شده است. بار مثبت این آمینواسیدها به برهم‌کنش هیستون با فسفات‌های منفی DNA کمک می‌کند.

فیلم آموزش زیست شناسی مولکولی پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

بخشی از DNA کروماتین دور مجموعه هیستون‌های H1 و H2A و H2B و H3 و H5 می‌پیچد و نوکلئوزوم‌ها را ایجاد می‌کند. هر نوکلئوزوم از جفت هیستون‌های H2A، H2B، H3 و H4 (اوکتامر ) در مرکز و DNA دورشته‌ای ۱۴۶ جفت‌بازی دور آن تشکیل شده که به‌وسیله قطعه DNA با ۶۰ جفت‌باز از نوکلئوزوم بعدی جدا می‌شود. هسته نوکلئوزوم از تترامر H3/H4 تشکیل شده که دیمرهای H2A/H2B در دوطرف آن قرار دارند. هیستون H1 خارج از این مجموعه به رشته‌های DNA متصل می‌شود. انتهای کربوکسی زنجیره پلی‌پپتدی هیستون‌ها، ساختار کروی این پروتئین را تشکیل می‌دهد که در هسته نوکلئوزوم قرار دارد. انتهای آمینی هیستون‌ها خارج از هسته نوکلئوزومی قرار دارد و با پروتئین‌های هسته برهم‌کنش می‌دهد. تشکیل نوکلئوزوم DNA دورشته‌ای را به فیبرهای کروماتینی با قطر ۱۱ نانومتر (ساختار اول کروماتین) تبدیل می‌کند. آرایش نوکلئوزوم‌ها و DNA رابط بین آن‌ها ساختاری شبیه دانه‌های تسبیح ایجاد می‌کند.

در ساختار دوم کروماتین، فیبرهای ۱۰ نانومتری فشرده‌تر شده و به فیبرهای ۳۰ نانومتری تبدیل می‌شود. برخلاف ساختارهای ۱۱ نانومتری و کروموزوم متافازی، ساختار فیبرهای ۳۰ نانومتری به طور دقیق مشخص نیست و با مدل‌های مختلف ازجمله مدل سلنوئیدی و زیگزاگی تعریف می‌شود. در ساختار سلنوئیدی DNA رابط خم شده و H1 نوکلئوزوم‌های متوالی با هم برهم‌کنش می‌دهد. در این ساختار نوکلئوزوم‌ها در یک مارپیچ پشت سرهم قرار دارند. در مدل زیگزاگی H1 به جای نوکلئوزوم کناری با نوکلئوزم بعدی بر هم کنش می‌دهد. برای مثال نوکلئوزوم اول با نوکئوزوم سوم برهم‌کنش می‌دهد.

تشکیل لوپ‌های DNA-پروتئین در مرحله بعد منجر به فشرده‌تر شدن کروماتین می‌شود. براس تشکیل این لوپ‌ها پروتئین‌های غیرهیستونی روی نواحی اتصالی به داربست (SARs) در DNA قرار می‌گیرند. این نواحی در پستانداران از ۱ KB باز تشکیل شده که بیشتر آن نوکلئوتیدهای A-T است. اکتین، RNA و DNA پلیمرازها، فاکتورهای اتصالی به داربست A و B، پروتئین‌های اتصالی به نواحی داربستی، پروتئین‌هایی هستند که به فشرده شدن و تشکیل حلقه‌های DNA در اینترفاز و متافاز کمک می‌کنند. علاوه بر این پروتئین‌ها کاندنسین و توپوایزومراز II به داربست کروموزوم متافازی اضافه می‌شود. اضافه شدن لوپ‌ها کروماتین را به رشته‌های ۳۰۰ تا ۱۴۰۰ نانومتری (کروموزوم متافازی) تبدیل می‌کند.

نقش فشردگی کرماتین در تنظیم بیان ژن

ساختار فشرده کروماتین و پیوند قوی بین DNA-هیستون از اتصال آنزیم‌ها و پروتئین‌های شروع رونویسی و همانندسازی به DNA جلوگیری می‌کند. به همین دلیل اضافه شدن گروه‌های شیمیایی به دم انتهای آمینی (N) هیستون برهم‌کنش این پروتئین‌ها با کروماتین را تغییر داده و به تنظیم بیان ژن‌ها کمک می‌کند. اضافه شدن گروه‌های استیل و فسفات به هیستون‌ها بیان ژن را افزایش داده و اضافه شدن پروتئین‌های کوچک شبه یوبی‌کوئینیتین، جدا شدن گروه آمین و تغییر ساختار پرولین هیستون بیان ژن را مهار می‌کند. اضافه شدن گروه‌های متیل و یوبی‌کوئینیتین بر اساس موقعیت آمینواسید، بیان ژن را افزایش داده یا مهار می‌کند.

اضافه شدن گروه‌های استیل به‌وسیله آنزیم هیستون استیل ترانسفراز به لیزین، بار مثبت این آمینواسید را خنثی کرده و برهم‌کنش DNA-پروتئین را کاهش می‌دهد. فسفوریلاسیون برگشت‌پذیر آمینواسیدهای سرین، تروئونین و تیروزین به‌وسیله آنزیم‌های کیناز، در بخش‌های مختلف هیستون، بار مثبت این پروتئین را کاهش می‌دهد. نیروی بین بارهای منفی منجر به جدا شدن کروماتین از هیستون می‌شود. اضافه شدن گروه‌های متیل به‌وسیله آنزیم‌های ترانسفراز به آمینواسیدهای آرژنین و لیزین یکی دیگر از تغییرات شیمیایی است که برهم‌کنش کروماتین-پروتئین و بیان ژن را تغییر می‌دهد. اضافه شدن گروه‌های متیل به DNA یکی دیگر از تغییرات کروماتین است که در تنظیم بیان ژن نقش دارد. در این آنزیم‌های ترانسفراز، سیتوزین را به ۵-متیل سیتوزین تبدیل کرده و بیان ژن را مهار می‌کند. تعداد گروه‌های متیل در بخش‌های هتروکروماتینی ژنوم بیشتر است.

انواع کروماتین

کروماتین بر اساس میزان فشردگی به دو نوع یوکروماتین و هتروکروماتین تقسیم می‌شود. فشردگی DNA در نواحی یوکروماتینی کمتر است و ژن‌های آن رونویسی می‌شود. فشردگی DNA در نواحی هتروکروماتینی بیشتر است و معمولا رونویسی نمی‌شود. بخش اصلی ژنوم انسان از یوکروماتین تشکیل شده است. تعداد نوکلئوتیدهای AT در یوکروماتین‌ و تعداد نوکلئوتیدهای GC در هتروکروماتین بیشتر است.

فیلم آموزش ژنتیک مولکولی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

هتروکروماتین به دو نوع ساختاری و اختیاری تقسیم می‌شود. هتروکروماتین‌های ساختاری توالی‌های تکراری DNA است که در تمام سلول‌ها وجود دارد. سانترومر و نواحی اطراف آن (ترانسپوزن‌‌ها، توالی‌های تکراری پشت سر هم (LTRs)، توالی‌های پراکنده کوتاه و بلند) و تلومر از انواع هتروکروماتین‌های ساختاری است. هتروکروماتین اختیاری مجموعه‌ای از ژن‌ها است که در یک سلول خاص غیرفعال می‌شود. برای مثال ژن‌های تعیین رنگ چشم در سلول‌های چشمی یوکروماتین و در سلول‌های کلیوی هتروکروماتین اختیاری است.

• سانترومر: سانترومر محل اتصال کروماتیدهای خواهری پس از همانندسازی DNA در چرخه سلولی است. کمپلکس پروتئینی کینه‌توکور در سانترومر به میکروتوبول‌های دوک تقسیم متصل می‌شود. سانترومر کروموزوم انسانی از تعداد زیادی توالی تکراری DNA به نام آلفا-ماهواره (α-satellite) یا آلفوئید تشکیل شده است. محل قرار گرفتن سانترومر یک بازو بلند (q) و یک بازوی کوتاه (p) در کروموزوم‌های انسانی ایجاد می‌کند. بر این اساس کروموزوم‌ها به انواع متاسنتریک، سابسنتریک، آکروسنتریک، تلوسنتریک و هولوسنتریک تقسیم می‌شود. در کروموزوم‌های متاسنتریک، سانترومر از دو انتهای کروزوم فاصله تقریبا یکسانی دارد و دو بازوی تقریبا مساوی ایجاد می‌شود. در کروموزوم‌ها سابسنتریک، سانترومر فاصله کمی از مرکز کروموزوم دارد و اختلاف اندازه دو بازو بسیار کم است. در کروموزوم‌های آکروسنتریک، سانترومر به انتهای کروموزوم نزدیک‌تر و یک بازو بلندتر است. در کروموزوم‌های تلوسنتریک، سانترومر در یک انتهای کروموزوم قرار دارد و از یک بازو تشکیل شده است. ژنوم انسان فاقد این کروموزوم‌ها است. در کروموزوم‌های سابتلومریک، سانترومر در نزدیکی انتهای کروموزوم قرار دارد. در ساختار DNA سانترومری پروتئین CENP-A جایگزین H3 می‌شود.
• تلومر: تلومر تعداد زیادی توالی تکراری غیرکدشوند در انتهای DNA خطی است که همراه پروتئین‌های اتصالی به به حفظ ساختار کروموزوم کمک می‌کند. تلومر سلول‌های سوماتیک انسان از ۲ تا ۴ kb باز با توالی‌های پشت سر هم $$5^\prime-TTAGGG-3^\prime$$ تشکیل شده که ۱۰۰ تا ۲۰۰ باز انتهای آن تک‌رشته‌ای است. انتهای تک‌رشته‌ای تلومر با توالی‌های مکمل کناری لوپ تشکیل می‌دهد و این لوپ به همراه پروتئین‌های اتصالی از تجزیه تلومر به‌وسیله آنزیم‌های ترمیم‌کننده آسیب DNA محافظت می‌کند. در هر تقسیم سلولی ۵۰ تا ۲۰۰ جفت باز انتهای تلومری رشته پیرو همانندسازی نشده و تلومر کوتاه‌تر می‌شود. به همین دلیل تکثیر سلول پس از چند میتوز متوقف شده و سلول پیر می‌شود.
• ترانسپوزون: تراسپوزون‌ها توالی تکراری DNA در ژنوم پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها است که بین بخش‌های مختلف ژنوم جابه‌جا می‌شود. حدود ۴۵٪ ژنوم انسان از هتروکروماتین‌های ترانسپوزون تشکیل شده است. رتروتراسپوزون‌ها عناصر متحرک ژنوم هستند که به شکل RNA منتقل می‌شود. توالی این عناصر از یک دو انتهای $$5^\prime UTR$$ و $$3^\prime UTR$$ تشکیل شده که دو الگوی خوانش باز (ORF) بین آن‌ها قرار دارد. ORF1 پروتئین اتصالی به نوکلئوئیک‌اسید و ORF2 آنزیمی با فعالیت نوکلئازی و رونوشت‌برداری معکوس کد می‌کند. کلاس دوم تراسپوزون‌ها ژن آنزیم ترانسپوتاز تشکیل شده که بین دو توالی تکراری معکوس در انتها قرار دارد.

سوالات متداول

در این بخش از مطلب مجله فرادرس به تعدادی از سوالات متداول پیرامون کروماتین پاسخ می‌دهیم.

فشردگی کروماتین در مراحل مختلف چرخه سلولی چگونه است؟

در مراحل اولیه چرخه سلولی (G1، G2 و S) اتصال کروماتین با پروتئین‌های هیستون ضعیف‌تر می‌شود تا فضای کافی برای آنزیم‌های رونویسی پروتئین‌های لازم برای مراحل بعدی و آنزیم‌های همانندسازی DNA وجود داشته باشد. در پایان مرحله G2 فشرده شدن کروماتین شروع می‌شود و در متافاز کروماتین به فشرده‌ترین حالت خود تبدیل خواهد شد.

کروماتید چیست؟

هر کروماتید یکی از نیمه‌های کاملا مشابه کروموزوم متافازی است. کروماتیدهایی که در سانترومر به هم متصل هستند، کروماتیدهای خواهری نام دارد.