Kromatiin

Kromatiin on DNA ja sellega seondunud valkude (histoonide) kompleks, millest moodustuvad eukarüootide ehk päristuumsete kromosoomid. DNA pakkimine kromatiiniks on vajalik selleks, et see rakutuuma sisse mahuks. Mitoosi ajal toimub kromatiini kondenseerumine kromosoomideks, et tagada genoomi korrektset jaotumist tütarrakkude vahel. Samuti aitab kromatiin kaitsta DNA-d kahjustuste eest (näiteks UV-kiirgus, kemikaalid), kontrollida geeniekspressiooni ja replikatsiooni. Kromatiin esineb ainult eukarüootides, prokarüootide DNA organiseeritust nimetatakse genofooriks (kromosoom, mis ei ole kromatiiniks pakitud). Eukarüootne DNA pakitakse histoonide abil nukleosoomideks. Histoonid on positiivselt laetud nukleaarsed valgud, mis koosnevad funktsionaalselt erinevatest "histooni kehast" ja "histooni sabast". DNA on keritud ümber histoonide oktameerse kompleksi 1,65 korda, mis lühendab esialgset pikkust umbes kuus korda. Erinevatel eukarüootidel on nukleosoomse osakesega seotud erinev arv DNA-aluspaare, varieerudes 157 ja 240 vahel. Nukleaasidega töödeldud nukleosoomne DNA koosneb 145–147 aluspaaristest DNA tükkidest ja histoonsest oktameerist. Ülejäänud DNA moodustab "linkeri" ehk nukleosoomide vahelise DNA. Eukarüootide histoonide oktameer koosneb neljast dimeerist: H2A-H2B ja H3-H4 paarid. Kõik neli histooni sisaldavad ühist struktuurset elementi, mida nimetatakse histooni pakkumisdomääniks (ingl. keeles histone-fold domain) ning mis osaleb DNA ja histoonide vaheliste interaktsioonide loomises. Iga dimeer histooni paaridest on seotud 27–28 DNA aluspaariga, jättes iga interaktsiooni vahele 4 valguga esialgu seondumata aluspaari. Kromatiini moodustumisel on väga tähtis roll histoonide modifitseerimisel. Suurem osa modifikatsioone esineb histoonide "sabadel" (histoonide N-terminaalne ots), mis on modifitseerijatele kergemini kättesaadavad, aga modifitseeritakse ka histoonide "keha" aminohappeid. Levinumad histoonide modifikatsioonid on atsetüleerimine, metüleerimine, fosforüleerimine, ubikvitinüleerimine ja sumoüleerimine. Samuti on teada ka ADP-ribosüleerimine, tsitrulleerimine (imino-rühma eemaldamine), proliini isomerisatsioon, biotinüleerimine ja suhkrute lisamine. Esineb kaks põhilist mehhanismi, läbi mille histoonide modifikatsioonid kromatiini mõjutavad. Esiteks mõjutavad osa modifikatsioone histoonide üldist laengut, teiseks aitavad histoonide modifikatsioonid kaasa erinevate regulatoorsete valkude seondumisele kindlatele DNA piirkondadele, osaledes sellega erinevates rakulistes protsessides. Kromatiini esimeseks pakkimise tasemeks peetakse nn. "pärlikee" struktuuri, mille korral on nukleosoomid ühendatud omavahel ühendaja-DNA-ga (linker-DNA), mille pikkus jääb vahemikku 20–80 aluspaari. Kõrgemates eukarüootides on linker-DNA seotud H1 (histoon 1) või H5-ga (histoon 5, esineb ainult lindude erütrotsüütides). Järgmiseks kondenseerumise tasemeks on 30 nm pikkune fiiber, millel ei ole seni suudetud kindlat läbivat struktuuri täheldada. On välja pakutud kaks järgmist varianti: solenoid- struktuur, mille korral on nukleosoomid tihedalt kõrvuti paigutatud, ja siksak-struktuur, mille kohaselt ühendab vastastikku asuvaid nukleosoome sirge linker-DNA. Kromatiini edasisel kondenseerumisel moodustuvad mitoosis kromosoomid. Kromatiini erinev vastastikmõju võib põhjustada vähemalt kahte vormi fiibreid- klassikaline 30 nm fiiber, mis sisaldab keskmiselt 6 nukleosoomi ja heterokromaatiline fiiber 12–15 nukleosoomiga. Need erinevad pakitavuse variandid mõjutavad võimet moodustada veelgi keerulisema organiseeritusega struktuure. Teadaolevalt on kromatiini pakituse tugevus ja ulatus määratud peamiselt histoonide modifikatsioonide, promootoralade ja geenide transkriptsioonilise aktiivsusega. Eukromatiini all mõistetakse seda kromatiini osa, mis katab transkriptsiooniliselt aktiivset piirkonda ja seetõttu on lõdvemalt pakitud. DNA lõdvemat seotust histoonidega seostatakse histoonide atsetüleerimisega (atsüül-rühma lisamine valgu aminohapetele). Tugevamat vastastikmõju histoonidega seostatakse üldiselt metüleerimisega. Transkriptsiooni toimumiseks on vaja head ligipääsu DNA-le, et kõik vajalikud valgud, mis sellele kaasa aitavad, saaksid DNA-le seonduda. Selleks on vaja nukleosoomid lahti pakkida, histoonid eemaldada. Nukleosoomide eemaldamine toimub nii promootoraladel kui ka geeni kodeerival alal. On näidatud, et RNA polümeraas II on põhiline faktor, mis dikteerib nukleosoomide eemaldamise transkribeeritavatel geenidel. DNA järjestus mõjutab kromatiini olekut. DNA keerduvus või jäikus mõjutab nukleosoomide seondumist ja paiknemist. Lisaks sellele määratakse spetsiifiliste järjestustega transkriptsioonifaktorite seondumiskohad, TATA box ja transkriptsiooni alguskohad. Nukleosoomid takistavad transkriptsiooni faktorite ligipääsu DNA-le. Seondumiskohad, mis paiknevad nukleosoomi keskpaigale lähedal, on transkriptsioonifaktoritele tavaliselt kättesaamatud. Need seondumise kohad, mis paiknevad pigem nukleosoomi äärtel, on osaliselt kättesaadavad ja need, mis paiknevad nukleosoomide vahelisel DNA-l, on seondumisele avatud. DNA-le ligipääsematus viib transkriptsiooni sõltumisele kromatiini remodelleerimisest. Histoonide saatjad (ingl. keeles chaperonid) reguleerivad nukleosoomi dünaamikat. Histoonide "saatjad" aitavad nii eemaldada kui ka paigutada promootoralade nukleosoome ja on osaliselt spetsialiseerunud funktsioneerima kas replikatsiooni ajal või sellest sõltumata. Esmased transkriptsioonifaktorid seonduvad tavaliselt kas nukleosoomivabas piirkonnas või kahe nukleosoomi vahelisele DNA-le. See on vajalik transkriptsioonifaktorite seondumise algatamiseks, aga järgmiste faktorite seondumise kohad võivad olla nukleosoomidesse peidetud ja nendele seondumiseks on vaja remodelleerijate (ümberpaigutajad) abi. Samuti võivad mõned transkriptsioonifaktorid seonduda ka nukleosoomile. Transkriptsioonifaktorid vajavad histoonide modifitseerijaid. Modifitseerijad, nagu atsetüültransferaasid, metüültransferaasid ja kinaasid, võivad lihtsustada või takistada kromatiini remodelleerijate aktiivsust. Samuti reguleerivad nad teiste valkude seondumist, mis täidavad kromatiini ja transkriptsiooni suhtes regulatoorset funktsiooni. Heterokromatiini moodustumisega kaasnev transkriptsiooni vaigistamine tuleneb sellest, et transkriptsioonikompleksi seondumine spetsiifilistele DNA-järjestustele on steeriliselt takistatud ja sellega blokeeritakse kogu protsess. Heterokromatiini moodustumiseks on vaja H3K9- metüleerimist (histooni H3 üheksandas positsioonis asuv lüsiin) ja kindlate valkude, nagu HP1 (heterokromatiini valk 1), seondumist. H3K20me3(Histooni H3 kahekümnenda positsiooni lüsiini kolmekordne metüleerimine) vastutab kromatiini lokaalse kondenseerumise struktuuride eest. Heterokromatiini korraldus ja moodustumine sisaldab palju tähtsat informatsiooni, kaasa arvatud paiknemine kromosoomil, lokalisatsioon tuumas ning DNA kordusjärjestuste esinemine. Tsentromeerid ja telomeerid sisaldavad palju kordusjärjestusi, nagu satelliit-DNA klastrid ja transposoonid. Need piirkonnad jäävad kondenseerunuks (tugevalt pakituks) kogu rakutsükli vältel. Heterokromatiini moodustumine ja kadumine on väga tähtis organismi arengus, sest selle abil toimub geenide aktiivsuse reguleerimine. Emastel imetajatel toimub X-kromosoomi inaktivatsioon samuti läbi heterokromatiini moodustumise (Barri kehake) ja tagab sellega X-liiteliste geenide doosi regulatsiooni. Vaatamata sellele, et heterokromatiini moodustumist seostatakse eelkõige geenide vaigistamisega, on teaduslikus kirjanduses mitmeid näiteid, kus heterokromatiseerumine on vajalik geeniekspressiooni aktiveerimiseks. Heterokromatiini levimine peab olema limiteeritud, et takistada selle sattumist eukromatiini piirkonda, kus paiknevad geenid, mille aktiivsus on organismi elutegevuseks vajalik. Rakud on suutnud üles ehitada mitmeid mehhanisme, kuidas heterokromatiini levimist piirata ja kontrollida. Üheks selliseks mehhanismiks on DNA piirelemendid, mis panevad paika piirid hetero- ja eukromatiini vahel. Faktorid (valgud), mis seonduvad DNA piirelementidele, takistavad nukleosoomide paigutamist DNA-le ja see viib heterokromatiini struktuuri lagunemisele. Mõnel juhul seovad DNA piirelemendid spetsialiseerunud faktoreid, tekitades soodsa keskkonna kromatiini moodustumiseks. Kromatiini levimise piiramise mehhanismide olemasolu näitab, kui tähtis on õige kromatiini organiseeritus genoomi homöostaasis. Luger K, Mäder AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ"Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution".Nature.1997 Sep 18;389(6648):251-60. PMID 9305837 Olins DE, Olins AL."Chromatin history: our view from the bridge". Nat Rev Mol Cell Biol. 2003 Oct;4(10):809-14. PMID 14570061 Iizuka M, Smith MM."Functional consequences of histone modifications". Curr Opin Genet Dev.2003 Apr;13(2):154-60. PMID 12672492 Kouzarides T."SnapShot: Histone-modifying enzymes". Cell.2007 Nov 16;131(4):822. PMID 18022374 Bassett A, Cooper S, Wu C, Travers A."The folding and unfolding of eukaryotic chromatin". Curr Opin Genet Dev.2009 Apr;19(2):159-65. Epub 2009 Apr 5. PMID 19346124 http://dspace.utlib.ee/dspace/bitstream/handle/10062/18080/varv_signe.pdf?sequence=1 Värv S, Kristjuhan K, Kristjuhan A."RNA polymerase II determines the area of nucleosome loss in transcribed gene loci". Biochem Biophys Res Commun. 2007 Jun 29;358(2):666-71. Epub 2007 May 7. PMID 17498649 Cairns BR. "The logic of chromatin architecture and remodelling at promoters". Nature. 2009 Sep 10;461(7261):193-8. PMID 19741699 Kornberg RD, Lorch Y. "Irresistible force meets immovable object: transcription and the nucleosome". Cell. 1991 Nov 29;67(5): 833–6. PMID 1959130 Grewal SI, Jia S."Heterochromatin revisited".Nat Rev Genet. 2007 Jan;8(1):35–46. PMID 17173056 Boumil RM, Lee JT. "Forty years of decoding the silence in X-chromosome inactivation". Hum Mol Genet. 2001 Oct 1;10(20):2225-32. PMID 11673405 Gaszner M, Felsenfeld G."Insulators: exploiting transcriptional and epigenetic mechanisms."Nat Rev Genet. 2006 Sep;7(9):703-13. Epub 2006 Aug 15. PMID 16909129 Kromatiin ja kromosoomid