ORGANIZAREA GENOMULUI LA EUCARIOTE

ORGANIZAREA GENOMULUI LA EUCARIOTE

Inchiderea materialului genetic intr-un spatiu genetic reprezentat de nucleu, cu membrana nucleara tipica, dubla electrono - microscopic si repartizarea informatiei genetice / programului genetic pe mai multi genofori / cromozomi sunt caracteristicile definitorii ale organizarii genomului la E_K.

Informatia genetica la E_K se afla in genomul nuclear (format din setul de cromozomi ai celulei) si in genomul extranuclear, reprezentat in principal de ADN - mitocondrial si ADN - plastidial.

Diferntele dintre genomul eucariot si cel procariot

dimensiunea mare;

continutul informational crescut;

exces de ADN necodificator;

asocierea ADN cu histonele;

separare fata citoplasma;

incadrarea in nucleu

La E_K genomul imbraca aspecte complexe. Pentru a discerne diversele niveluri de organizare ale ADN asociat cu proteinele din cromozomul E_K este necesar sa se analizeze structura cromozomilor.

Prin genom se intelege ADN - ul complementului cromozomal haploid in termeni cantitativi si calitativi - totalitatea genelor ce poarta informatia genetica care dirijeaza toate caracteristicile organismului.

Elmentele definitorii ale ale calitatii genomului sunt:

• secventele de bate azotate;

• numarul de secvente nucleotidice ce constituie complexitatea genomului si frecventalor.

Permanenta complexare a ADN-ului cu proteinele histonice face ca la E_K cromatina sa se prezinte la nivel ultrastructural cu aspect fibros - unitatea structurala a cromatinei nucleului interfazic ca si a cromatinei cromozomilor este fibra de cromatina

Consecinta complexarii ADN-ului cu histone este prezenta la E_K tipice a unui ciclu celular cu doua compartimente distincte: compartimentul distributiv si compartimentul replicativ.

La E_K distributia echilibrata a materialului genetic in celulele fiice se realizeaza prin interventia unui aparat mitotic alcatuit din: fus de diviziune, centrozom, kinetokor.

Organizarea generala a cromatinei:

Cromatina este alcatuita din ADN nuclear, histone si proteine non-histonice. In interfaza, cromatina se gaseste in doua stari morfologice:

heterocromatina: → reprezinta forma condensata inactiva (10 % din genom);

→ este de doua tipuri:

a.      constitutiva: forma in care ramane permanent condensata;

b.      facultativa: contine secvente care nu sunt transcrise in toate celulele, ci doar in anumite tipuri de celule. De exmplu, in cazul inactivarii unuia din cei doi cromozomi X in celulele mamiferelor ♀ - in cursul dezvoltarii embrionare timpurii, unul din cei doi cromozomi X este inactivat prin condensare si apare ca o structura vizibila la microscopul fotonic - corpusculul Barr - plasat in vecinatatea membranei nucleare. Se numeste facultativa deoarece condensarea nu este permanenta, pentru ca cromozomului X condensat este reactivat prin decondensare.

Rolul structural al heterocromatinei

Ø     stabilizeaza structurile centromerice si capetele cromozomale;

Ø     imperecherea cromozomilor in meioza;

Ø     recombinarea genetica intracromozomala

Rolul functional al heterocromatinei

Ø     transmiterea de substanta prin membrana nucleara;

Ø     controlul diferentierii celulare

Rolul evident al heterocromatinei

Ø     inactivarea genelor in mecanismul compensatiei dozei de gene X - lincate.

Tipurile de heterocromatina pot fi evidentiate prin metode de bandare cromozomala: bandarea C, G, R, T, N.

eucromatina: → este de doua tipuri:

a.      constitutiva: forma transcriptional activa;

b.      inductibila: are grad intermediar de condensare intre eucromatina constitutiv activa si heterocromatina.

Cromatina interfazica prezinta doua modele de organizare:

a.      cromozomi lampbrush;

b.      cromozomi politeni.

Cromozomii lampbrush:

sunt cei mai mari cromozomi cunoscuti - au 1 mm lungime;

pot fi observati la microscopul fotonic;

se gasesc in ovocite de: pesti, amfibieni, reptile, pasari, in cursul profazei meiozei stadiului de diplotem;

daca se scot nucleii din ovocite si se distruge invelisul nuclear, cromozomii lampbrush pot fi evidentiati prin prezenta buclelor laterale de ADN care se extind de la nivelul cromomerelor, perpendicular pe axul central al cromozomului;

datorita faptului ca la nivelul buclelor transcriptia este activa, deci buclele sunt acoperite de ARN nou sintetizat, cromozomii lampbrush pot fi observati la microscopul fotonic.

o bucla reprezinta o unitate transcriptionala, care contine 90 % din ADN compactat la nivelul cromomerelor, iar 10 % este desfacut sub forma de bucle;

o celula cuprinde patru copii ale aceleiasi bucle.

Structura ADN

• este componenta esentiala a cromozomului eucariot;

• se gaseste in cantitate mai mare la eucariote decat la procariote;

fiecarui cromozom eucariot ii corespunde un dublu - helix de ADN asociat cu proteine histonice;

Clasele de secventa din ADN

Secvente unice sau nerepetate:

sunt prezente intr-o copie / genom;

reprezinta partea din genom ce corespunde genelor structurale si reglatoare;

rar genele structurale de la eucariote sunt prezente in mai multe copii;

Secvente moderat repetate:

reprezinta o fractie de 10 - 60 % din genomul nuclear;

ADN moderat repetat formeaza hibrizi moleculari cu ARN - este transcris cel putin partial fata de ADN inalt repetat care nu este transcris;

pot fi conservate - sunt identice si stabile si divergente - sunt asemanatoare, dar nu identice.

Secvente inalt repetate:

constituie o parte importanta a genomului;

sunt prezente la toate eucariotele cu exceptia drojdiilor;

unitatea de repetitie este formata din cateva perechi de nucleotide ce se repeta de 1milion de ori / genom haploid.

Cromozomii politeni:

sunt tip particular de cromozomi prezenti la diptere;

se formeaza gradat in timpul vietii larvare;

apar in celule specialazate precum: celulele glandelor salivare, celulele Malpighi;

cromozomii realizeaza mai multe cicluri de sinteza (de replicare) a ADN in nucleul care nu se divide, iar in urma replicarilor succesive cromatidele surori raman alipite formand un cromozom gigant

acest cromozom prezinta o alternanta de zone dense - benzi si zone clare - interbenzi;

fiecare banda sau interbanda prezinta un set de secvente de ADN identic aranjate in "registru": 85 % din ADN formeaza benzile si 15 % din ADN formeaza interbenzile;

in genomul de D.m. exista 5000 de benzi si 5000 de interbenzi;

cromozomii politeni se caracterizeaza prin sinteza activa de ARN, prin studii de autoradiografie cu uridina marcata cu tritiu observandu-se regiunile la nivelul carora are loc transcriptia;

cand are loc sinteza ARN, benzile se desfac si se numesc pufuri cromozomale;

in diversele stadii ale dezvoltarii apar diverse pufuri pe masura ce cele vechi se condenseaza, fenomen corelat cu activarea si dezactivarea subunitatilor transcriptionale;

se sintetizeaza diverse seturi de ARN_m si de proteine;

Organizarea cromatinei la diptere este asemanatoare cu cea a celulei E_K superioare.

Cand cromatina este transcrisa are o structura extinsa, iar cand este condensata este inactiva transcriptional.

Proteinele non - histonice / hertonele:

• se gasesc in structura cromatinei intim asociate cu ADN-ul;

• sunt un grup variabil de proteine bogate in aminoacizi cu caracter acid (triptofan, acid aspartic, acid glutamic);

• sunt implicate in reglajul fin al activitatii genice;

• asigura activitatea specifica a genelor;

• prin fosforilare joaca rol important in activarea genelor;

• cuprind enzimele metabolismului cromozomal - ADN si ARN polimeraze;

• sunt sintetizate in citoplasma si apoi sunt transferate in nucleu;

• sunt variabile si heterogene, atat ca structura cat si ca functie;

• prezinta mare viteza de sinteza si de degradare;

• interactioneaza cu: histonele, ADN, ARN

Interactiile ADN - proteine:

Sunt de doua tipuri:

nespecifice - participa la organizarea generala a cromatinei;

specifice - se fixeaza de secvente determinate de ADN, cu rol in controlul expresiei genelor.

Informatia continuta in ADN este organizata, replicata, transcrisa, reparata, prin intermediul proteinelor ce se fixeaza de ADN.

Proteinele care se fixeaza de ADN in celula E_K sunt histonele si proteinele non - histonice.

Proteinele histonice / histonele:

sunt proteine cu caracter bazic datorita prezentei unui numar mare de sarcini pozitive si a unei mari cantitati de lisina si arginina;

actioneaza ca represori ai activitatii genice conducand condensarea cromatinei si superspiralizarea ADN;

sunt componentele esentiale ale cromozomilor;

au diversitate relativ scazuta;

sunt cele mai conservative dintre proteine;

se gasesc in cantitate mare in celule;

au masa egala cu a ADN-ului;

in celulele E_K au fost identificate 5 tipuri: H₁, H_2A, H_2B, H₃, H₄, H₅ (in nucleul eritrocitelor la amfibieni, pesti, pasari) si H₆ (in nucleul spermatozoizilor de peste).

histona H₁ nu prezinta caracteristici, se asociaza direct ca monomer cu ADN, pe cand celelalte fractii histonice se asociaza intre ele, cate doua molecule din fiecare formand un octamer in jurul caruia se infasoara dublul ADN;

H₁ prezinta heterogenitate interspecifica;

H₃ si H₄ au cel mai inalt grad de conservatorism, ele fiindimplicate la toate E_K in impachetarea cromatinei;

legarea histonelor de ADN se realizeaza prin legaturi ionice;

sarcina pozitiva favorizeaza o asociere stransa de ADN printr-o atractie electrostatica independenta de natura secventei de nucleotide.

Nivele de compactare:

Asocierea dintre histone si ADN duce la formarea nucleosomilor, care reprezinta primul nivel ierarhic de organizare a cromatinei. Nucleosomul constituie unitatea de structurala a fibrei de cromatina. Nucleosomi au forma de cilindru.

Din punct de vedere chimic nucleosomul este un octamer histonic, alcatuit din 8 molecule de proteine histonice: H_2A, H_2B, H₃, H₄ (cate doua copii din fiecare). Octamerul reprezinta miezul proteic in jurul caruia se infasuara ADN dublu catenar de 146 de baze ce face 1,8 ture.

Legatura dintre doi nucleosomi alaturati se realizeaza cu doua molecule de ADN - linker intre care se afla o molecula de proteina histonica de tip H_1.

Prin insiruirea nucleosomilor se formeaza fibrila de cromatina, care in urma unei noi condensari va forma fibra de cromatina cu un diametru de 30 nm, caracteristica nucleului interfazic.

Organizare cromatinei sub forma de nucleosomi a permis infasurarea ADN-ului intr-o structura si mai condensata numita solenoid. Nucleofilamentele se pot organiza in filamente mai groase care rezulta prin impachetarea structurii nucleosomale, astfel incat     3 - 6 nucleosomi formeaza spira unei structuri numita solenoid.

Formarea fibrei de cromatina este conditionata de H₁ care contine trei domenii structurale: → 1 domeniu central hidrofob care interactioneaza cu nucleosomii;

→ NH₂ si COOH hidrofile care interactioneaza cu ADN - linker.

In eritrocitele de pasari, H₅ este echivalent cu H₁. In cadrul structurii de solenoid, compactarea ADN este de ≈ 50 de ori.

Alte nivele de compactare:

bucle de condensare de 300nm;

bucle de condensare de 700nm;

cromozomi metafazici de 1400nm

Structura cromozomului metafazic

Caracteristicile cromozomilor la E_K sunt analizate in metafaza, etapa a diviziunii celulare cand acestia sunt puternic condensati.

Un cromozom metafazic este alcatuit din doua cromatide unite printr-un centromer, aflat in regiunea unei constrictii (constrictia sau strangulatia primara). La suprafata centromerului se afla kinetocorul (alcatuit din ADN si proteine), locul unde fibrele fusului de diviziune se prind de cromozom. Centromerii sunt importanti in repartizarea egala a cromozomilor monocromatidici la cele doua celule fiice.

Telomerii sunt regiunile de ADN situate la capetele cromozomului de la E_K, prezenta lor fiind necesara pentru replicatia si stabilitatea cromozomului.

Fiecare cromozom de la E_K prezinta, pe lungimea lui, mai multe origini de replicatie (repliconi). Acestea sunt secvente de nucleotide unde, in timpul fazei S a ciclului celular incepe replicatia materialului genetic (ADN).

Unii cromozomi prezinta pe unul din brate o constrictie suplimentara (constrictia secundara), urmata de o regiune heterocromatica numita satelit. Prin coloratii specifice pot fi evidentiate regiuni avand condensare diferita a fibrei de cromatina - regiuni cu eucromatina si regiuni cu heterocromatina, pe lungimea cromozomilor.

Numarul de cromozomi si marimea lor, pozitia centromerului si prezenta satelitilor, precum si a benzilor situate de-a lungul cromozomilor sunt caracteristice unei specii date, servind la caracterizarea si identificarea acesteia.

Concluzii:

Organizarea genomului la E_K se caracterizeaza prin:

inchiderea materialului ereditar intr-un spatiu genetic reprezentat de nucleu

asocierea permanenta a ADN cu histonele tipice in raport 1:1 a dus la formarea fibrei nucleo - histonice;

prezenta a trei clase de secventa in ADN: secvente unice, moderat repetate si inalt repetate;

diferentierea a doua stari functionale ale cromatinei: eucromatina si heterocromatina;

evolutia unui ciclu de condensare si decondensare a cromatinei;

organizarea unui fus de diviziune;

specializarea centromerului;

specializarea regiunii organizator nucleolare;

aparitia unui centriol cilindric implicat in organizarea fusului de diviziune;

existenta a cel putin trei genomuri distincte si interdependente: genomul nuclear, genomul mitocondrial, genomul cloroplastic.

Celula E_K este o structura multi genomica, cu o cantitate mult mai mare de ADN decat al celulei P_K, si cu complexitate structural functionaa mult mai mare.