Хроматин - что это: определение, значение, сферы применения
Хроматин представляет собой вещество хромосом, находящееся внутри ядра каждой живой клетки. Это таинственная субстанция, без которой невозможны ни наследственность, ни развитие жизни. Давайте погрузимся в удивительный мир хроматина и узнаем, как эта структура управляет судьбой клетки.
Строение хроматина
Хроматин представляет собой комплекс ДНК с белками, главным образом с гистонами. До 25-40% массы хроматина составляют именно гистоновые белки. Гистоны формируют нуклеосомы - структурные единицы хроматина.
Вокруг нуклеосом наматывается двойная спираль ДНК.
При этом образуется структура, напоминающая нитку бус. Такая организация позволяет упаковать огромную по размерам молекулу ДНК в небольшом объеме ядра.
- ДНП-фибриллы
- Нуклеосомы
- 30-нм фибрилла хроматина
Ранее считалось, что нуклеосомы образуют спиралевидные структуры - 30-нм фибриллы хроматина. Однако в последнее время появились данные об иной пространственной организации.
| Конденсированный хроматин | Гетерохроматин |
| Рыхлый хроматин | Эухроматин |
По плотности упаковки различают конденсированный и рыхлый хроматин. Плотный хроматин называют гетерохроматином , он обычно транскрипционно неактивен. Рыхлый хроматин - эухроматин - как правило, проявляет транскрипционную активность.
Функции хроматина
Основные функции хроматина:
- Реализация генетической программы клетки
- Репликация ДНК
- Репарация ДНК
- Регуляция активности генов
В составе хроматина происходит считывание последовательности ДНК и на основе этой информации синтезируются различные RNA и белки в соответствии с генетической программой.
Хроматин также обеспечивает защиту и репарацию ДНК, восстановление ее структуры при повреждениях. При делении клетки в хроматине происходит точное копирование ДНК.
Таким образом, хроматин выполняет в клетке целый ряд важнейших функций, связанных с реализацией генетической информации.
Регуляция активности хроматина
Активность различных участков хроматина в клетке тщательно регулируется. Это достигается за счет:
- Модификаций гистонов
- Структурной перестройки хроматина
- Образования петель и доменов
В частности, важная роль принадлежит гистоновому коду - различным химическим модификациям гистонов, таким как метилирование, ацетилирование, фосфорилирование и другие.
Эти модификации определяют степень компактизации хроматина в конкретном локусе и доступность для транскрипционного аппарата.
Кроме того, в ядре образуются функциональные петли хроматина, причем их количество динамично меняется. С помощью таких механизмов клетка гибко регулирует работу генов в зависимости от внешних сигналов и своего функционального состояния.
Роль хроматина в онтогенезе
Процессы спирализации и деконденсации хроматина играют важную роль в ходе индивидуального развития организма (онтогенеза).
На ранних этапах развития зародыша хроматин находится в деконденсированном состоянии, обеспечивая высокую транскрипционную активность. По мере дифференцировки клеток и тканей хроматин постепенно переходит в более компактное состояние.
Изменение структуры хроматина в ходе онтогенеза имеет не меньшее значение, чем собственно экспрессия генов.
Медицинское значение хроматина
Нарушения структуры хроматина или его регуляции могут приводить к серьезным заболеваниям.
В частности, с хроматином связан целый класс наследственных болезней. К таким заболеваниям относятся синдромы Кабуки, Корнелиа де Ланге, Рубинштейна-Тейби и некоторые другие.
Кроме того, дефекты хроматина играют роль в возникновении раковых опухолей. Например, мутации генов гистонов могут запускать онкогенез.
Хроматин в биотехнологии
Расшифровка молекулярных механизмов, управляющих структурой и активностью хроматина, открывает новые возможности для прикладных исследований.
Так, представляет интерес использование факторов ремоделирования хроматина в задачах генной инженерии. С их помощью можно будет направленно изменять транскрипционную активность нужных генов.
Кроме того, перспективно создание лекарств, влияющих на структуру хроматина. Они смогут корректировать работу генов при различных заболеваниях.
Хроматин у прокариот
Долгое время считалось, что хроматин есть только у эукариот. Однако затем выяснилось, что похожие структуры существуют и у прокариот.
В частности, у архей были обнаружены гистоноподобные белки, которые также формируют нуклеосомы с ДНК. Такая организация, по-видимому, консервативно сохраняется с глубокой древности.
Изучение хроматина прокариот может пролить свет на эволюционные механизмы возникновения хромосом у эукариот. Кроме того, это важно для понимания регуляции активности генов у бактерий.