Kap 12. Det eukaryote kromosom. En organelle for pakking og styring av DNA

Transkript

1 Kap 12. Det eukaryote kromosom En organelle for pakking og styring av DNA

2 Oversikt over kapittel 12 Komponentene i et kromosom: DNA, histoner, og nonhiston proteiner Ett langt DNA molekyl og mange typer proteiner Kromosomstruktur Hvordan variabel DNA-protein samvirkning skaper reversible nivåer av kompakthet Spesialiserte elementer som sikrer nøyaktig duplisering og segregering av kromosomer Telomerer, sentrum for replikasjon, og sentromerer Hvordan kromosomal pakking påvirker genaktivitet Dekondensering går forut for genuttrykning Ekstrem kondensering demper genuttrykning

3 Hvert kromosom pakker et langt DNA molekyl Kjemisk og fysisk analyse Studier av strekking og rekveiling viser at lange stykker kveiles saktere enn korte stykker Pulsfelt elektroforese» Separerer store stykker av DNA antall og størrelse korresponderer med antall og størrelse som forventes hvis hvert kromosom inneholder et stykke av DNA

4 Protein komponenter av DNA Det er rikelig med histonproteiner i kromatin i alle eukaryote celler Histoner små proteiner med basiske positivt ladete aminosyrer som lysin and arginin Bindes til og nøytraliserer negativt ladet DNA Utgjør halvparten av all kromatin på vektbasis Fem typer: H1, H2A, H2B, H3, og H4 Kjernehistoner utgjør nukleosomet: H2A, H2B, H3, and H4 DNA og histonsynteseregulering korrelerer timingen slik at begge syntetiseres sammen Høy grad av histonlikhet blant ulike organismer

5 Protein komponenter i DNA Nonhiston proteiner er en heterogen gruppe Halvparten av proteinene i kromatin er nonhistoner Stor variasjon av nonhiston proteiner 200 2,000,000 i diploide genomer Stor variasjon i funksjoner» Bærebjelke ryggrad i kromosomer» DNA replikasjoner e.g., DNA polymeraser» Kromosom segregering eks., motorproteiner til kinetichorer» Transkripsjons regulering største gruppe regulerer transkripsjon under genuttrykning Opptrer i forskjellige mengder i ulike vev på grunn av variasjon i funksjon

6 Nukleosomet: den grunnleggende enhet for kromosompakking oppstår fra DNAs assosiasjon med histoner Fig a Kromatinfibre med kuler har en diameter på omkring 100 Å og strenger har en diameter på 20 Å

7 Nukleosomet: den grunnleggende enhet for kromosompakking oppstår fra DNAs assosiasjon med histoner Kulen er et nukleosom med omkring 160 bp av DNA surret to ganger rundt en kjerne med av 8 histoner 40 bp med DNA lenker nukleosomene sammen Fig b

8 Nukleosomet: den grunnleggende enhet for kromosompakking oppstår fra DNAs assosiasjon med histoner Røntgen diffraksjon analyse Fig b DNA kveiles ikke glatt Basesekvensen bestemmer den foretrukne nukleosomposisjon langs DNA Mellomrom og struktur påvirker genetisk funksjon

9 Nukleosomet: den grunnleggende enhet for kromosompakking oppstår fra DNAs assosiasjon med histoner Avstand mellom nukleosomene påvirker genuttrykning Områder mellom nukleosomer er tilgjengelig for samvirkning med proteiner som er involvert i uttrykning, regulering og videre fortetning Bestemmer hvordan og hvorvidt spesielle proteiner samvirker med spesielle sekvenser Pakking i nukleosomer kondenserer DNA sju ganger 2 meter med DNA forkortes til mindre enn 0.25 meter

10 Modeller av kraftigere pakking prøver å forklare ekstrem kompakthet av kromosomene i mitosen Dannelse av 300 Å fiber gjennom supertvinning Fig a

11 Modeller av kraftigere pakking prøver å forklare ekstrem kompakthet av kromosomene i mitosen Radial løkkestøtte modell for høyere nivåer av kompakthet Fig b Hver løkke inneholder kb av DNA bundet fast med nonhiston støtte proteiner

12 Radial løkke-støtte modell fortsatt Fig c

13 Eksperimentell støtte for radial løkke-støtte modellen Fig a Elektron mikroskopi -bilder viser lange DNA løkker som utgår fra støtteproteinene

14 Et nærmere blikk på karyotyper: fullstendig kompakterte metafase kromosomer har unike reproduserbare bånd mønstre Fig a Båndmønstrene er høyt reproduserbare Det er ikke kjent hva de representerer

15 Et nærmere blikk på karyotyper: fullstendig kompakterte metafase kromosomer har unike reproduserbare bånd mønstre Fig b Båndmønstre er nyttige til å lokalisere gener

16 Et nærmere blikk på karyotyper: fullstendig kompakterte metafase kromosomer har unike reproduserbare bånd mønstre Fig c Båndmønstre kan brukes til å analysere kromosomale forskjeller mellom arter Kan også brukes til å avsløre årsak til genetiske sykdommer eks., Downs syndrom 3 kopier av kromosom 21

17 Spesialiserte kromosomale elementer sikrer nøyaktig replikasjon og segregering av kromosomene Det er mange replikasjonsorigo Replikasjonen skjer i ca 8 timer under S fasen under aktiv deling av humane celler DNA polymerase kan sette sammen nytt DNA i en hastighet på omkring 50 nukleotides per sekund Mange replikasjonsorigo kreves for å fullføre oppgaven med å kopiere DNA i et genom I pattedyr er det 10,000 replikasjonsorigo Hver toveisreplikasjon kalles et replikon Replikasjonsorigo er spredd gjennom kromatinet, med kb imellom dem

18 Telomerer bevarer helheten av lineære kromosomer Telomerer er beskyttende kapsler på eukaryote kromosomer Hindrer fusjon med andre kromososmer Fig. 12.8

19 Fig DNA polymerase kan ikke replikere 5 ende på en DNA tråd

20 Binding av telomerase til TTAGGG og addisjon av RNA utvider endene Fig

21 Segregation av kondenserte kromosomer avhenger av sentromeren Sentromerer vises som forsnevringer på kromosomene Holdes innen blokker av repeterte, ikkekodende sekvenser kalt satellitt DNA Satellit DNA består av korte sekvenser på baser i lengde Sentromerer har to funksjoner Holde søsterkromatider sammen Kinetochor struktur dannet av DNA og protein som hjelpekraft til kromosombevegelse

22 Sentromer struktur og funksjon Fig a

23 Hvordan kromosomal pakking påvirker genaktivitet Dekompaktering går forut for genuttrykning Grenselinje elementer avgrenser områder for dekompaktering Nukleosomer i det dekompakterte området avtvinnes for å muliggjøre transkripsjonstart» Transkripsjons faktorer (nonhiston proteiner) avtvinner nukleosomer og fjerner histoner ved 5 ende av gener» Avtvunnede deler er åpne for samvirkning med RNA polymerase som kan gjenkjenne promotor og starte gen uttrykning

24 Ekstrem kondensering demper uttrykning Heterokromatin Mørkfargede områder på kromosomet Sterkt kompakte selv under interfase Vanligvis funnet i områder nær sentromeren Konstitutivt heterokromatin forblir kondensert det meste av tiden I alle celler (eks., Y kromosomer i fluer og mennesker) Eukromatin Lysfargede områder på kromosene Inneholder mest gener

25 Heterokromatin mot eukromatin Heterokromatin er mørkfarget Eukromatin er lysfarget C-båndsteknikker farger konstitutivt heterokromaotin nær sentromeren Fig

26 Posisjons effekt i Drosophila: flytting av et gen nær heterokromatin hindrer dets uttrykning Fig a Fakultativt heterokromatin Flytting av et gen nær heterokrmatin demper dets aktivitet i noen celler og ikke i andre

27 Barr legemer: eksempel på heterokromatin som senker genaktivitet Barr legemer inaktivering av ett X kromosom for å kontrollere dosekompensering i hunn pattedyr Ett X kromosom vises i interfase som en mørkfarget heterokromatin masse