سازماندهی ژنوم یوکاریوت‌ ها

این مطلب در ادامه سلسله مباحث DNA PACKAGING یا بسته بندی ژنوم می‌باشد. اگر که مبحث قبلی را نخواندید توصیه می‌کنم که ابتدا بحث قبلی را خوانده تا یکپارچگی مطالب حفظ شود. در مبحث سازماندهی ژنوم یوکاریوت‌ ها، ما حدود دو متر DNA داریم و این DNA قرار است در هسته‌ای با قطر 6 میکرومتر جا بگیرد. به همین جهت، بسته بندی DNA در این قسمت ضروری است. ماده ژنتیکی یوکاریوت‌ها در اینترفاز، یک کمپلکس نوکلئوپروتئینی است به نام کروماتین (زمانی که یک سلول در حالت استراحت است و تقسیم نمی‌شود، کروموزوم‌ها با متراکم شدن ساختارهای «کروماتین» (Chromatin) را می‌سازند.). اما اگر در هنگام تقسیم باشد به ماده ژنتیکی، کروموزوم گفته می‌شود و هر کروموزوم شامل یک مولکول DNA است.

کروموزوم چیست؟

کروموزوم‌ها ساختارهای رشته‌مانندی هستند که درون هسته‌ی سلول‌های گیاهی و جانوری قرار دارند. هر کروموزوم از پروتئین و یک مولکول دئوکسی ریبونوکلئیک‌اسید (DNA) تشکیل شده است. DNA از والدین به فرزندان منتقل می‌شود و حاوی دستورالعمل‌های خاصی است که موجب می‌شود هر نوع موجود زنده‌ای منحصربه‌فرد باشد.

اصطلاح کروموزوم (جسم رنگی) از واژه‌های یونانی رنگ (chroma) و جسم (soma) می‌آید. دانشمندان این نام را به کروموزوم‌ها دادند زیرا ساختارها یا اجسام سلولی هستند که به‌وسیله‌ی رنگ‌های خاصی که در پژوهش‌ها استفاده می‌شود، به‌شدت رنگ می‌گیرند.

شکل زیر، هسته سلول در زمان اینترفاز  را نشان می‌دهد. کروماتین‌ها به یوکروماتین و هتروکروماتین تقسیم می‌شود. یوکروماتین‌ها نواحی سفید رنگ هستند و از نظر رونویسی فعال هستند.

یوکروماتین‌ها در هسته پراکنده‌اند و بیشتر فضا را اشغال‌ کرده‌اند.  یوکروماتین‌ها غنی از ژن‌ می‌باشند.

هتروکروماتین‌ها، نواحی فشرده کروماتین‌ها هستند. هتروکروماتین‌ها تیره رنگ هستند و اغلب نزدیک به غشای هسته می‌باشند یا به هستک‌ها (هستک مهمترین ساختار در هسته سلول‌های یوکاریوت و محل رونویسی RNA ریبوزومی، پردازش قبل از ساخت RNA و ساخت زیر واحد ریبوزوم است.) نزدیک هستند و از نظر رونویسی اغلب غیرفعال‌اند.

خود هتروکروماتین، به هتروکروماتین دائمی و اختیاری تقسیم بندی می‌شود. هتروکروماتین دائمی همیشه به صورت هتروکروماتین هستند و هتروکروماتین اختیاری، موقتا به شکل هتروکروماتین در آمده‌اند.

سازماندهی ژنوم یوکاریوت‌ ها

کروموزم‌ها در متافاز، بیشترین فشردگی را دارند. کروموزوم نسبت به کروماتین 5 تا 10 برابر فشرده‌تر است.

کروماتینی که در هسته وجود دارد دو نوع هستند. به عبارتی دو نوع فیبر کروماتینی در داخل هسته مشاهده شده است. یک فیبر 10 نانومتری کروماتین و یکی فیبر 30 نانومتری کروماتین. وقتی می‌گوییم 10 نانومتر یعنی قطر آن فیبر را نشان می‌دهیم.

DNA دو رشته‌ای در اولین سطح از سازماندهی و فشردگی خود یک ساختاری به نام on a string  Beads ایجاد کرده است که یعنی ساختار دانه تسبیح. این همان فیبر کروماتین 10 نانومتری است. این ساختار گسنرده، کروماتین محسوب می‌شود.

سطح بعدی فشردگی فیبر 30 نانومتری است که از فشرده شدن همان فیبر های 10 نانومتری به وجود آمده‌اند و همان فیبرهای ده نانومتری فشرده‌تر شدند و فیبری با قطر 30 نانومتر را تشکیل داده‌اند.

on a string  Beads یا فیبر ده نانومتری:

تصویر زیر، در زیر میکروسکوپ الکترونی است و مثل‌ دانه‌هایی هستند که با نخی به هم متصل شده‌اند. این‌ها واحد ساختاری اولیه‌ای هستند که در مورد کروماتین داریم.

شکل زیر تصویر شماتیک است. بخش‌های زرد رنگ beads ها هستند و DNA در آن به رنگ آبی نمایش داده شده است. بخشی از DNA به دور این beads ها پیچیده شده است و بخش دیگری هم در حد فاصل این beads ها قرار گرفته است. به این DNAهای که در این حد فاصل قرار گرفته‌اند؛  DNA linker گفته می‌شود.

به هر کدام از این beads ها یک نوکلئوزوم می‌گویند. یعنی DNA که رنگ آبی است که به دور پروتئین‌های زرد رنگ پیچیده و پروتئین زرد رنگ باهم یک نوکلئوزوم را تشکیل می‌دهند. ساختار نوکلئوزوم از DNA و پروتئینی به نام هیستون تشکیل شده و DNA به دور هیستون‌ها پیچیده شده است.

بین این نوکلئوزوم‌ها نیز یک بخش DNA قرار گرفته است که به آن DNA linker یا DNA رابط گفته می‌شود. (نوکلئوزوم= DNA + پروتئین های هیستونی)

نوکلئوزوم:

DNA ای که در ساختمان نوکلئوزوم قرار دارد حدودا 145 تا 147 جفت باز دارد و حدود دو دور، به دور هسته‌های پروتئینی هیستونی و به‌طور دقیق 1.67 دور به دور هسته هیستونی پیچیده شده است. در جهت چپ گرد پیچیده شده و به همین خاطر است که سبب ایجاد سوپرکویل منفی می‌شود. یک DNA از یک طرف وارد می‌شود و حدود 1.67 دور می‌زند و از طرف دیگر خارج می‌شود.

پروتئین‌های هیستونی، بدین صورت است که 8 تا پروتئین هیستون از 4 نوع مختلف باهم تشکیل یک هسته مرکزی دادند و چون 8 عدد هستند به آن اوکتامر می‌گویند. هم هیستون اوکتامر می‌گویند و  هم هیستون کور (histone core) که در شکل پایین مشاهده می‌کنید.

هیستون‌ها، پروتئین‌هایی غنی از اسیدآمینه های بازی مانند آرژینین و لایزین هستند. به همین دلیل هیستون‌ها دارای بار مثبت هستند. می‌دانیم که DNA بار منفی دارد؛ به همین دلیل است که DNA به سمت هیستون کشیده می‌شود و دارند و تمایل به برهمکنش با هیستون دارد.

تصویر زیر ساختار یک نوکلئوزوم را نشان می‌دهد. این هیستون اوکتامر، ساختاری را تشکیل می‌دهد به شکل یک دیسک، که این ساختارش به شکل دیسک که در تصویر قابل مشاهده است و هر کدام از این پروتئین‌های هیستونی به عنوان یک زیرواحدی می‌توان تلقی کرد که در هم قفل شده‌اند.

هر کدام از هیستون‌ها، پروتئین‌های کوچکی (به طول 102 اسیدآمینه تا 135 اسید آمینه) هستند و از اسید آمینه‌های بازی هم تشکیل شده‌اند.

هیستون‌هایی که در در داخل این هیستون اوکتامر قرار دارند؛ ساختمان مشابهی داشته که از هیستون فولد تشکیل شده‌اند.

هیستون فولد، ساختاری است که شامل سه آلفا هلکیس می‌باشد. این سه آلفا هلیکس توسط دو لوپ به هم متصل شده‌اند. به آن دومن هیستون فولد هم گفته می‌شود. علاوه بر این، هر هیستونی شامل دم N ترمینال است که این دم N ترمینال، انعطاف پذیر می‌باشد. طول این N ترمینال حدود 19 تا 39 اسیدآمینه می‌باشد. به این دم N ترمینال،  N terminal tail گفته می‌شود. N terminal tail جایگاه‌های modification های کوالانسی هستند. در اثر انجام این modificationها، یک سری گروه‌های شیمیایی مثل متیل یا استیل به دم‌های N ترمینال به صورت کووالانسی متصل می‌شوند. این modificationها برای عملکرد کروماتین و فشردگی کروماتین در سطوح بالاتر ضروری می‌باشد.

دو تا از هیستون‌ها به نام H2A و H2B، دم c ترمینال هم دارند. یعنی علاوه بر این که N ترمینال دارند، c ترمینال هم دارند. این دم‌های هیستونی همانطور که در تصویر صفحه قبل مشاهده می‌شود؛ از داخل هیستون اوکتامر یا به عبارتی از ساختمان نوکلئوزوم بیرون زده‌اند.

پروتئین‌های هیستونی، پروتئین‌های بشدت حفاظت شده‌ای هستند. یعنی وقتی گونه‌های مختلف را بررسی می‌کنند، مشاهده شده است که پروتئین‌های هیستونی از نظر توالی، توالی به شدت حفظ شده‌ای دارند.

در ساختمان فیبر ده نانومتری علاوه بر این beads ها یک strings هم هست که این نوکلئوزوم‌ها را به هم دیگر متصل می‌کند. این strings ما خود DNA است که بخشی از آن به دور نوکلئوزوم پیچیده شده اما آن DNA ای که خارج از نوکلئوزوم‌ها است و نوکلئوزوم‌ها را به هم دیگر ارتباط می‌دهد تحت عنوان DNA linker  است و طول آن 7 جفت باز تا 115 جفت باز می‌تواند باشد.

DNA رابط یا linker DNA، ارتباط بین نوکلئوزوم‌ها را برقرار می‌کنند و ممکن است بین سلول‌های مختلف یک گونه هم از نظر طول متفاوتی داشته باشند. اینها در ساختار نوکلئوزوم و جز نوکلئوزوم نیستند و فقط ارتباط دهنده بین نوکلئوزوم‌ها می‌باشند.

به این نکته توجه شود که 4 نوع هیستون مختلف وجود دارد که از هر نوع دو تا وجود دارد که مجموعا 8 تا هیستون می‌شود.

H2A-H2B باهم دیمر تشکیل می‌دهند و دو تا دیمر از آنها وجود دارد. H3-H4 هم باهمدیگر یک تترامر را تشکیل می‌دهند که تصاویر آن‌ها را می‌توان در صفحات قبل مشاهده کرد.

واریانت‌های هیستون:

بعضی نوکلئوزوم‌ها می‌تواند به جای هیستون‌های اصلی از این واریانت‌های هیستونی تشکیل شده باشند. هیستون واریانت‌ها، گروه بزرگی از هیستون‌ها هستند و از نظر عملکردی با هیستون‌های اصلی مرتبط‌‌ اند ولی از نظر توالی با یکدیگر متفاوت هستند. تفاوت در توالی، می‌تواند در حد چند اسید آمینه باشد یا می‌تواند این تفاوت زیادتر باشد. برای همه هیستون کورها که در ساختمان نوکلئوزوم وجود دارد یک واریانت پیدا شده به غیر از هیستون H4.

مثلا هیستون H3.3 یک واریانتی از هیستون H3 است که در چهار اسیدآمینه باهم دیگر تفاوت دارند.

این هیستون واریانت‌ها در سلول، عملکردهای متفاوتی دارند و باتوجه به نیاز سلول، می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند و در ساختمان نوکلئوزوم قرار بگیرند.

ادامه این مقاله را می‌توانید در  سازماندهی ژنوم یوکاریوت‌ ها (بخش دوم) بخوانید.