DNA PAKETLEME NEDIR? - BIYOLOJI - 2025

DNA ambalaj hücrede DNA'nın kontrol sıkıştırılmasını tanımlayan bir terimdir. Hiçbir hücrede (ve aslında virüslerde bile) DNA'dan yoksun, gevşek ve doğru çözüm yoktur.

DNA, her zaman çok çeşitli farklı proteinlerle etkileşime giren son derece uzun bir moleküldür. DNA, taşıdığı genlerin ifadesinin işlenmesi, kalıtımı ve kontrolü için belirli bir mekansal organizasyonu benimser. Bu, hücre tarafından, DNA paketlemesinin her adımının farklı sıkıştırma seviyelerinde sıkı bir şekilde kontrol edilmesiyle gerçekleştirilir.

Kromatin: rahattan (soldan) yoğunlaşmaya (sağda). Commons.wikimedia.org adresinden alınmıştır

Virüslerin nükleik asitleri için farklı paketleme stratejileri vardır. Favorilerden biri, kompakt spirallerin oluşumudur. Virüslerin kendilerini örten, koruyan ve harekete geçiren proteinlerin içinde paketlenmiş nükleik asitler olduğu söylenebilir.

Prokaryotlarda DNA, nükleoid adı verilen bir yapıda karmaşık ilmeklerin oluşumunu belirleyen proteinlerle ilişkilidir. Ökaryotik bir hücrede maksimum DNA sıkıştırma seviyesi ise mitotik veya mayotik kromozomdur.

Bir B-DNA'nın paketlenmediği tek örnek, bu amacın peşinden giden bir araştırma laboratuvarıdır.

DNA yapısı

DNA, çift sarmal oluşturan iki antiparalel banttan oluşur. Her biri, üzerine azotlu bazlara bağlı şekerlerin tutturulduğu bir fosfodiester bağ iskeletine sahiptir.

Molekülün içinde, bir bandın azotlu bazları, tamamlayıcı bant ile hidrojen bağları (iki veya üç) oluşturur.

Bunun gibi bir molekülde, önemli bağ açılarının çoğu serbest dönüş gösterir. Azot baz-şeker, şeker-fosfat grubu ve fosfodiester bağları esnektir.

Bu, esnek bir çubuk olarak görülen DNA'nın bir miktar bükülme ve bükülme yeteneği göstermesine izin verir. Bu esneklik, DNA'nın karmaşık yerel yapıları benimsemesine ve kısa, orta ve uzun mesafelerde etkileşim döngüleri oluşturmasına izin verir.

Bu esneklik aynı zamanda bir insanın her diploid hücresinde 2 metrelik DNA'nın nasıl muhafaza edilebileceğini açıklar. Bir gamette (haploid hücre), bir metre DNA olacaktır.

Bakteriyel nükleoid

Kırılmaz bir kural olmamasına rağmen, bakteri kromozomu tek bir süper sargılı çift bantlı DNA molekülü olarak mevcuttur.

Çift sarmal kendi üzerinde daha fazla bükülür (dönüş başına 10 bp'den fazla), böylece bir miktar sıkıştırma üretir. Enzimatik olarak kontrol edilen manipülasyonlar sayesinde yerel düğümler de üretilir.

Ek olarak, DNA'da alanların büyük döngüler halinde oluşmasına izin veren diziler vardır. Aşırı soğutma ve sıralı döngülerden kaynaklanan yapıya nükleoid diyoruz.

Bunlar, sıkıştırılmış kromozoma bazı yapısal stabilite sağlayan bazı proteinler sayesinde dinamik değişikliklere uğrar. Bakteri ve arkelerdeki sıkışma derecesi o kadar etkilidir ki, nükleoid başına birden fazla kromozom olabilir.

Nükleoid, prokaryotik DNA'yı en az yaklaşık 1000 kez sıkıştırır. Nükleoidin çok topolojik yapısı, kromozomun taşıdığı genlerin düzenlenmesinin temel bir parçasıdır. Yani yapı ve işlev aynı birimi oluşturur.

Ökaryotik kromozomun sıkıştırma seviyeleri

Ökaryotik çekirdekteki DNA çıplak değildir. En önemlileri histonlar olmak üzere birçok protein ile etkileşime girer. Histonlar, DNA'ya spesifik olmayan bir şekilde bağlanan küçük, pozitif yüklü proteinlerdir.

Çekirdekte gözlemlediğimiz şey karmaşık bir DNA'dır: kromatin dediğimiz histonlar. Genellikle ifade edilmeyen yüksek derecede yoğunlaşmış kromatin heterokromatindir. Buna karşılık, en az sıkıştırılmış (daha gevşek) veya ökromatin, ifade edilen genlere sahip kromatindir.

Kromatinin çeşitli sıkıştırma seviyeleri vardır. En temel olanı nükleozomunkidir; Bunu solenoid lif ve fazlar arası kromatin döngüleri izler. Yalnızca bir kromozom bölündüğünde maksimum sıkıştırma seviyeleri gösterilir.

Nükleozom

Nükleozom, kromatinin temel organizasyon birimidir. Her nükleozom, bir tür tambur oluşturan bir oktamer histondan oluşur.

Oktamer, H2A, H2B, H3 ve H4 histonlarının her birinin iki kopyasından oluşur. Etraflarında, DNA 1.7 kez dolaşıyor. Bunu histon H1 ile ilişkili 20 bp bağlayıcı adı verilen bir serbest DNA fraksiyonu ve ardından başka bir nükleozom izler. Bir nükleozomdaki ve onu diğerine bağlayan DNA miktarı yaklaşık 166 baz çiftidir.

Bu DNA paketleme adımı, molekülü yaklaşık 7 kez sıkıştırır. Yani, bir metreden 14 cm'nin biraz üzerinde DNA'ya gidiyoruz.

Bu paketlenme mümkündür çünkü pozitif histonlar DNA'nın negatif yükünü ve bunun sonucunda elektrostatik kendi kendine itmeyi iptal eder. Diğer neden, DNA'nın, histonların oktamerini çevirebilecek şekilde bükülebilmesidir.

30nm elyaf

Birbirini izleyen birçok nükleozom tarafından oluşturulan bir kolyedeki boncukların lifi ayrıca daha kompakt bir yapıya sarılır.

Gerçekte hangi yapıyı benimsediğini tam olarak bilmesek de, yaklaşık 30 nm kalınlığa ulaştığını biliyoruz. Bu, sözde 30 nm fiberdir; Histone H1 oluşumu ve stabilitesi için gereklidir.

30 nm fiber, heterokromatinin temel yapısal birimidir. Gevşek nükleozomlar, ökromatin.

Bağlar ve dönüşler

Ancak 30 nm fiber tamamen doğrusal değildir. Aksine, az bilinen bir protein matrisinde kıvrımlı bir şekilde yaklaşık 300 nm uzunluğunda ilmekler oluşturur.

Bir protein matrisindeki bu döngüler, 250 nm çapında daha kompakt bir kromatin lifi oluşturur. Son olarak, 700 nm kalınlığında tek bir sarmal olarak hizalanarak mitotik bir kromozomun kardeş kromatidlerinden birine yol açarlar.

Nihayetinde, nükleer kromatindeki DNA, bölünen hücrenin kromozomunda yaklaşık 10.000 kez sıkıştırılır. Fazlar arası çekirdekte, "doğrusal" DNA'ya kıyasla yaklaşık 1000 kat daha fazla olduğundan, sıkıştırılması da yüksektir.

DNA'nın miyotik sıkışması

Gelişimsel biyoloji dünyasında gametogenezin epigenomu sıfırladığı söyleniyor. Yani gamete neden olan kişinin hayatının ürettiği veya deneyimlediği DNA işaretlerini siler.

Bu etiketler, DNA metilasyonunu ve histonların kovalent modifikasyonlarını (histonlar için kod) içerir. Ancak epigenomun tamamı sıfırlanmaz. Kalan izler, babanın veya annenin genetik izinden sorumlu olacaktır.

Gametogeneze yapılan örtük sıfırlamanın spermde görülmesi daha kolaydır. Spermde DNA, histonlarla dolu değildir. Bu nedenle, üretici organizmadaki modifikasyonları ile ilişkili bilgiler genellikle miras alınmaz.

Spermde DNA, protamin adı verilen spesifik olmayan DNA bağlayıcı proteinlerle etkileşim sayesinde paketlenir. Bu proteinler birbirleriyle disülfür bağları oluşturur ve böylece birbirini elektrostatik olarak itmeyen üst üste binen DNA katmanları oluşturmaya yardımcı olur.

Referanslar

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Edition). WW Norton & Company, New York, NY, ABD.
2. Annunziato, A. (2008) DNA Paketleme: Nükleozomlar ve kromatin. Doğa Eğitimi 1:26. (Https://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310).
3. Brooker, RJ (2017). Genetik: Analiz ve İlkeler. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, ABD.
4. Martínez-Antonio, A. Medina-Rivera, A., Collado-Vides, J. (2009) Bakteriyel bir nükleoidin yapısal ve fonksiyonel haritası. Genom Biyolojisi, doi: 10.1186 / gb-2009-10-12-247.
5. Mathew-Fenn, R. S, Das, R., Harbury, PAB (2008) Çift sarmalın yeniden ölçülmesi. Science, 17: 446-449.
6. Travers, AA (2004) DNA esnekliğinin yapısal temeli. Londra Kraliyet Cemiyeti'nin Felsefi İşlemleri, Seri A, 362: 1423-1438.
7. Travers, A., Muskhelishvili, G. (2015) DNA yapısı ve işlevi. FEBS Dergisi, 282: 2279-2295.