Kromozom Yapısı ve DNA Dizisi Organizasyonu


Şeyma BULUT - Biyoteknoloji Yüksek Lisans, Bezmialem Vakıf Üniversitesi

Kromozomları oluşturan moleküler bileşenlerin organizasyonu, genetik materyal fonksiyonunun anlaşılması açısından önem taşımaktadır.[1] Hücrenin içermiş olduğu genetik materyal hücre hacmine göre oldukça büyüktür.[2] Genetik bilgiyi içeren DNA moleküllerinin hücre içerisine sığdırılabilmesi için DNA katlanma ve paketlenme mekanizmalarına ihtiyaç duyulmaktadır.[2] Hücreler, DNA paketlenmesi işlevlerini DNA’larını korumanın yanı sıra hangi genlere ne zaman erişileceğini düzenlemek için de kullanmaktadır.[3]


DNA paketlenmesi mekanizmaları ile yaklaşık iki metre uzunluğundaki insan DNA’sının yalnızca birkaç mikrometre genişliğindeki bir hücreye sığabilmesi sağlanmaktadır.[1] Peki DNA ökaryotik ve prokaryotik hücrelere tam olarak nasıl sığdırılır? Hücreler bu sıkıştırılmış genetik materyale ulaşmak için hangi mekanizmaları kullanmaktadır?


Hücresel DNA, hücre içerisinde uzun ve doğrusal olarak bulunmanın aksine küçük bir alanda paketlenmesine yardımcı olan çeşitli proteinler ile kompleks oluşturmuş şekilde bulunmaktadır.[4] DNA ve proteinlerin belirli bir oranda birleşerek oluşturduğu yapı ökaryotik hücrelerde kromatin olarak adlandırılmaktadır.[5] Protein ve nükleik asit oranı ise neredeyse eşittir. Hücre içeresinde kromatin genellikle kromozom adı verilen karakteristik yapılara katlanmış olup her kromozom özelleşmiş proteinler ile birlikte çift sarmallı DNA parçası içermektedir (Şekil 1).[5]


Şekil 1: Hücre paketlenmesini verimli kılmak için uzun çift sarmallı DNA dizileri kromozom adı verilen yapılara sıkıca paketlenmektedir.[6]

Virüs ve bakteri kromozomları genellikle kısa ve daha az kompleks yapılar içermektedir. Prokaryotik hücreler, nükleustan yoksun olduklarından dolayı nükleik asit molekülü sitoplazmada bulunan tek bir halkasal kromozomda bulunmaktadır (Şekil 2). [7]


Şekil 2:Prokaryotik ve ökaryotik hücreorganizasyonu.[8]

Ökaryotik hücreler birden fazla sayıda doğrusal kromozom çiftine sahip olmakla birlikte kromozomları nükleus içerisinde bulunmaktadır (Şekil 2). Sahip oldukları kromozomların özellikleri karakteristik ve değişken formlar göstermektedir. Örneğin hücre bölünmesi sırasında daha sıkı bir şekilde paketlenir ve yoğunlaşmış formları ışık mikroskobu ile görülebilir. Bu yoğun form protein içermeyen ve doğrusal DNA ipliğinden yaklaşık 10.000 kat daha kısadır.[9] Bununla birlikte ökaryotik hücreler gerekli evrelerde kromozomları içerisindeki kromatini daha az sıkı bir şekilde paketleyerek gevşek konfigürasyon ile transkripsiyonun gerçekleşmesine izin vermektedir.[10]


Ökaryotik hücre, asidik ve bazik proteinler ile ince iplikler halinde kompleks oluşturmuş genetik materyali barındırmaktadır.[11] Hücre döngüsünde kromatin iplikler şeklinde DNA bulunduran yapılar nükleozom olarak adlandırılmaktadır.[12] Kromatin iplikler, kısalıp kalınlaşarak bölünme evreleri için kromozom yapılarını oluşturmaktadır (Şekil 3).[13] Ökaryotik genetik materyali, özgün ve tekrarlı DNA dizileri ile hücre için gerekli olan genetik bilgiyi içermektedir. Genomun büyük bir çoğunluğu kodlanmayan DNA dizilerinden oluşmakla birlikte çok az bir bölümü ise kodlama yapılabilen bölgelerden oluşmaktadır.[14]



Şekil 3: Mitoz bölünme sırasında kromozom yapılarının görünümü. Hücre döngüsünün her bir aşamasında kromatin yoğunluğu değişiklik göstermektedir. İnterfaz evresinde (1) kromatin en az yoğun durumdadır ve nükleus içerisinde dağılmış bir şekilde görülmektedir. Faz 2 evresinde kromatin kısalıp kalınlaşmaya başlar ve kromozomlar görünür hale gelmektedir (2-5).[15]


Mitoz bölünme sırasında kromzom yapıları kısalıp kalınlaşarak çok sayıda kıvrımlar oluşturmuş kromatin ipliklerinden oluşmaktadır.[16] İnterfaz evresinde hücresel büyüme ve gelişme göstererek kromatin çekirdek içerisine dağılmış halde bulunan genetik materyal replike edilir. Mitoz bölünmenin daha sonraki evrelerinde kromatin iplik kısalıp kalınlaşarak görünür hale geldiği kıvrımlar gerçekleştirmektedir (Şekil 3).[17] Hücre hacmine göre oldukça büyük olan genetik materyal, gerekli bilgiyi doğru aktarabileceği ve düzenli bir görünüm oluşturacağı kromozom yapısını yardımcı proteinler tarafından özel katlanmalar ile oluşturabilmektedir.[18] Hücre döngüsü için gerekli olan bu kromozom yapısı, histon molekülleri etrafına sarılarak çok sayıda katlanmalar ile sıralanmış kromatin ipliklerinden oluşmaktadır (Şekil 1).[19]


Histon adı verilen küçük proteinler ile kompleks oluşturan çift sarmallı DNA’dan oluşan yapı nükleozom olarak adlandırılmaktadır.[20] Her nükleozomun çekirdek parçacığı, her biri dört farklı histon türünden ikişer tane olmak üzere sekiz histon molekülünden oluşmaktadır: H2A, H2B, H3, ve H4.[21] Histonların yapısının evrim boyunca güçlü bir şekilde korunması, DNA paketlenmesi mekanizmasının tüm ökaryotik hücreler için önemli olduğunu göstermektedir (Şekil 4).[20]


Şekil 4:Kromatini oluşturan nükleozom yapısı. Çift sarmallı DNA, nükleozom yapısını oluşturmak için histon proteinleri etrafına sarılmaktadır.[6]

Çift zincirli DNA molekülü, katlanma ve paketlenmesinde önemli rol oynayan dört çift histon proteinin etrafında katlanarak kromatin liflerini oluşturmaktadır. İlk katlanma ile yaklaşık 30 nm genişliğinde kromatin lifleri oluşturur ve lifler arasında da tekrar katlanma gerçekleştirilir. Hücre içerisinde, nükleozomlar, birden fazla katlanararak organize diziler halinde birbirleri ile sistematik olarak sıralanır.[18] Kromatin fibrillerin kendi içerisinde de katlanma gerçekleştirmesi ile metafaz evresinde görülebilen ve başlangıçtaki uzunluğun 10.000 katı kadar kısalmış DNA’yı oluşturan kromozom yapısısı elde edilmektedir(Şekil 5).


Şekil 5: İnterfaz evresinde hücre içerisinde dağınık halde bulunun genetik materyal, paketlenme mekanizmaları ile mitotik evrede daha belirgin hale gelen kromzom görünümüne sahip olmaktadır.[22]

Histonlar pozitif yüke sahip olduklarından dolayı negatif yüklü DNA molekülü ile kolayca bağlanarak belirli bir konformasyonda bağ kurmasına imkân vermektedir.[23] Yapılan araştırmalar ile aydınlatılan kromozom paketlenmesi mekanizması, DNA sarmalının her bir ilmek sonrasındaki dönüş açısı ile elde ettiği görünüm ve histon moleküllerinin sahip olduğu yük sayesinde DNA’nın hücre içerisine sığdırılmasına imkan vermektedir. Bu yapı oluşturulurken her bir histon molekülünün etrafına dizilen baz dizisinin, türden türe değişmekle birlikte, birçoğunun yaklaşık 150 baz çiftine sahip olduğu bilinmektedir. [24] Ayrıca her histon molekülünün dış tarafa uzanan, N-terminal olarak adlandırılan bir ucu bulunmaktadır. Bu uçlar, tüm paketlenme prensibinde olduğu gibi kromatin yapısında ve gen ifadesinde önemli bir rol oynamaktadır (Şekil 6).[25]


Şekil 6: Kromozom yapısı histon molekülleri etrafına sarılan DNA dizilerinden oluşmaktadır. Kromozomal DNA, pozitif yüklü histon molekülleri etrafına sarılarak nükleozom yapıları oluşturmaktadır. Kromatin iplikler, daha yoğun yapıdaki mitotik kromozomların oluşumu için üst üste katlanmalar gerçekleştirmektedir.[6]

Negatif yüklü kromozomal DNA, kendisi ile güçlü bağ kurabilen ve nükleozom adı verilen kompleksler oluşturan pozitif yüklü histon molekülleri ile paketlenmektedir. Ökaryotik kromozomlarda gerçekleştirilen özel katlanma mekanizmaları, hücre için büyük hacme sahip DNA’nın paketlenmesini sağlamakla birlikte aynı zamanda hücre için gerekli işlevsel role de imkân sunmaktadır. Genetik bilginin doğru ve eksiksiz bir şekilde aktarılması için gen ekspresyonu, nükleozom içeren liflerin katlanması ile spesifik kromatin bölgelerini bir araya getirerek gerçekleştirmektedir.[26]


Kromatin paketlenmesi gen ekspresyonunun kontrol edilmesi için ek bir mekanizma sunmaktadır. Spesifik olarak hücreler, kromatinlerinin yapısını değiştirerek DNA dizilerine erişimi kontrol edebilirler. Oldukça sıkıştırılmış hale getirilen kromatin yapıları; DNA transkripsiyonu, replikasyonu veya onarımında yer alan enzimler tarafından erişilebilir olmadıklarından dolayı transkripsiyonun gerçekleştiği kromatin bölgeleri (ökromatin), transkripsiyonun aktif olmadığı veya baskılandığı (heterokromatin) bölgelere göre daha az yoğun halde bulunmaktadır (Şekil 7).[27, 28]


Şekil 7: İnterfaz aşamasındaki kromatin yapısı. Heterokromatin, ökromatin yapısından daha yoğundur. Kromatin yapısının yoğunlaşması ile transkripsyon faktörleri ve polimerazlar tarafından erişilebilme imkânı azalmaktdır.[29]

Ökromatin ve heterokromatin bölgeleri hücre fonksiyonunun diğer mekanizmalarında olduğu gibi enzimler tarafından düzenlenmektedir. Nükleozom içerisindeki DNA iplikleri düzenlenerek hücre içerisindeki metabolik sinyallere yanıt olarak belirli genlerin erişilmesine izin vermektedir. Bu mekanizmaya ek olarak; gen ekspresyonunun bazı değişiklikler, histonların sahip olduğu N-terminal uçlarındaki metil ve asetil gruplarının değişimi ile gerçekleşmektedir. Enzimlerin, N-terminal modifikasyonunu kataliz etmesi ile enzim türüne bağlı olarak bazıları gen ekspresyonunu artırırken bazıları azaltabilmektedir.[30]




Referanslar

1. Annunziato, A., DNA packaging: nucleosomes and chromatin. Nature Education, 2008. 1(1): p. 26.

2. Alberts, B., et al., Chromosomal DNA and its packaging in the chromatin fiber, in Molecular Biology of the Cell. 4th edition. 2002, Garland science.

3. Zlatanova, J. and S.H. Leuba, Chromatin structure and dynamics: state-of-the-art. Vol. 39. 2004: Gulf Professional Publishing.

4. Clancy, S., DNA transcription. Nature education, 2008. 1(1): p. 41.

5. Widom, J., Structure, dynamics, and function of chromatin in vitro. Annual review of biophysics and biomolecular structure, 1998. 27(1): p. 285-327.

6. Kalaivani, N.P., Understanding the mechanisms of histone modifications in vivo. 2016.

7. Griswold, A., Genome packaging in prokaryotes: The circular chromosome of E. coli. Nature Education, 2008. 1(1): p. 57.

8. Bendich, A.J. and K. Drlica, Prokaryotic and eukaryotic chromosomes: what's the difference? Bioessays, 2000. 22(5): p. 481-486.

9. Grigoryev, S.A., Chromatin higher-order folding: A perspective with linker DNA angles. Biophysical journal, 2018. 114(10): p. 2290-2297.

10. Pierce, B.A., Genetics: A conceptual approach. 2012: Macmillan.

11. Swift, H. The organization of genetic material in eukaryotes: progress and prospects. in Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. 1974. Cold Spring Harbor Laboratory Press.

12. Lowary, P. and J. Widom, Nucleosome packaging and nucleosome positioning of genomic DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1997. 94(4): p. 1183-1188.

13. Descartes, M., B.R. Korf, and F.M. Mikhail, Chromosomes and chromosomal abnormalities, in Swaiman's Pediatric Neurology. 2017, Elsevier. p. 268-276.

14. Long, M. and M. Deutsch, Intron—exon structures of eukaryotic model organisms. Nucleic acids research, 1999. 27(15): p. 3219-3228.

15. Hunt, T., K. Nasmyth, and B. Novák, The cell cycle. 2011, The Royal Society.

16. Hansen, J.C., et al., The 10-nm chromatin fiber and its relationship to interphase chromosome organization. Biochemical Society Transactions, 2018. 46(1): p. 67-76.

17. Ramaswamy, A. and I. Ioshikhes, Dynamics of modeled oligonucleosomes and the role of histone variant proteins in nucleosome organization, in Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. 2013, Elsevier. p. 119-149.

18. Joti, Y., et al., Chromosomes without a 30-nm chromatin fiber. Nucleus, 2012. 3(5): p. 404-410.

19. Mariño-Ramírez, L., et al., Histone structure and nucleosome stability. Expert review of proteomics, 2005. 2(5): p. 719-729.

20. McGinty, R.K. and S. Tan, Nucleosome structure and function. Chemical reviews, 2015. 115(6): p. 2255-2273.

21. Libertini, L., et al., Histone hyperacetylation. Its effects on nucleosome core particle transitions. Biophysical journal, 1988. 53(4): p. 477-487.

22. Maison, C. and G. Almouzni, HP1 and the dynamics of heterochromatin maintenance. Nature reviews Molecular cell biology, 2004. 5(4): p. 296-305.

23. Erler, J., et al., The role of histone tails in the nucleosome: a computational study. Biophysical journal, 2014. 107(12): p. 2911-2922.

24. Szerlong, H.J. and J.C. Hansen, Nucleosome distribution and linker DNA: connecting nuclear function to dynamic chromatin structure. Biochemistry and Cell Biology, 2011. 89(1): p. 24-34.

25. Morales, V. and H. Richard-Foy, Role of histone N-terminal tails and their acetylation in nucleosome dynamics. Molecular and cellular biology, 2000. 20(19): p. 7230-7237.

26. Rudnizky, S., et al., Nucleosome mobility and the regulation of gene expression: Insights from single‐molecule studies. Protein Science, 2017. 26(7): p. 1266-1277.

27. MacAlpine, D.M. and G. Almouzni, Chromatin and DNA replication. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 2013. 5(8): p. a010207.

28. Grewal, S.I. and S. Jia, Heterochromatin revisited. Nature Reviews Genetics, 2007. 8(1): p. 35-46.

29. Mittwoch, U., Sex differentiation in mammals. Nature, 1967. 214(5088): p. 554-556.

30. Varland, S., C. Osberg, and T. Arnesen, N‐terminal modifications of cellular proteins: The enzymes involved, their substrate specificities and biological effects. Proteomics, 2015. 15(14): p. 2385-2401.

93 görüntüleme

Türkiye'nin Tek Popüler Genetik Bilim Dergisi

Bezelye Dergi ISSN: 2587-0173

Bizi Takip Et
  • Beyaz Facebook Simge
  • Beyaz Instagram Simge
  • White Twitter Icon
  • Icon-gmail
  • kisspng-white-logo-brand-pattern-three-d
  • images
  • medium
  • Dergilik
  • YouTube

© 2019 by Bezelye Dergi