Эукариот эсүүд дэх геномын зохион байгуулалт
Эукариот эсийн геномууд - тухайлбал амьтан, ургамал, мөөгөнцөр, протистуудын геномууд - нь нарийн төвөгтэй, өндөр эмх цэгцтэй зохион байгуулалтын түвшинтэй байдаг. Ерөнхийдөө нэг бүсэд (нуклеоид) байрладаг дугуй ДНХ-тэй прокариотуудаас ялгаатай нь эукариот эсүүд генетикийн материалынхаа ихэнх хэсгийг цөмд шугаман хромосом хэлбэрээр хадгалдаг. Урт ДНХ-ийг жижиг цөмд багтаахын зэрэгцээ генийн илэрхийлэл болон репликацид хялбархан хүрэхийн тулд эукариот эсүүд үр ашигтай, динамик ДНХ-ийн сав баглаа боодлын системийг боловсруулсан. Энэхүү геномын зохион байгуулалт нь зөвхөн "хадгалах" асуудал биш, харин генүүд хэзээ, хаана ажиллахыг "зохицуулах" асуудал юм.
1. Эукариот геномын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд
Эукариот геном нь хэд хэдэн хромосомд бүлэглэгдсэн ДНХ-ээс бүрдэнэ. Хромосомын тоо нь төрөл зүйлээс хамаарч өөр өөр байдаг; хүн 46 хромосомтой (23 хос), цагаан будаанд 24, зарим ургамал хэдэн зуугаараа байдаг. Цөмийн геномоос гадна эукариотууд нь митохондри (бараг бүх эукариотуудад) болон хлоропластууд (ургамал, замагт) зэрэг органеллуудад ДНХ агуулдаг. Эдгээр органеллуудын ДНХ нь ихэвчлэн жижиг бөгөөд эсийн амьсгал эсвэл фотосинтезтэй холбоотой чухал генүүдийг агуулдаг.
Цөмийн геном дотор уураг кодчилдог генүүд, РНХ кодчилдог генүүд (жишээ нь, rRNA, tRNA, miRNA) болон кодчилдоггүй хэсгүүд байдаг бөгөөд эдгээр нь уургийг кодчилдог хэсгүүдээс хамаагүй олон байдаг. Кодчилдоггүй хэсгүүд нь заавал "хэрэггүй" байх албагүй; тэдгээрийн олонх нь генүүд хэзээ идэвхтэй байхыг хянадаг промотор, сайжруулагч, дуу намсгагч, тусгаарлагч зэрэг зохицуулах элементүүдийн үүрэг гүйцэтгэдэг.
2. ДНХ-г савлах: Давхар спираль ДНХ-ээс хромосом хүртэл
Эукариот ДНХ-ийн урт нь ер бусын юм: хэрэв хүний ганц эсийн ДНХ-г сунгавал эсийн цөм нь хэдхэн микрометр диаметртэй байсан ч хоёр метр орчим урттай болно. Энэ бэрхшээлийг гистоны уураг болон бусад бүтцийн уургуудыг ашиглан олон давхаргат савлагаагаар даван туулдаг.
а. Нуклеосом: Хроматины үндсэн нэгж
Сав баглаа боодлын хамгийн энгийн түвшин нь нуклеосом бөгөөд энэ нь найман гистоны уургийн цогцолбор (гистоны октамер)-аар ороосон ДНХ юм. Ойролцоогоор 147 хос ДНХ нь гистонуудыг ороож, "уяа дээрх бөмбөлгүүд" бүтэц үүсгэдэг. Нуклеосомуудын хооронд янз бүрийн урттай холбогч ДНХ-ийн утаснууд байдаг бөгөөд ихэвчлэн гистон H1-ээр тогтворждог.
б. Хроматины ширхэгүүд ба сав баглаа боодлын дэвшилтэт түвшин
Нуклеосомууд нь "шүршүүрийн" бүтцээр зогсдоггүй; тэд харилцан үйлчилж, илүү нягтралтай ширхэгүүд үүсгэж чаддаг. Сонгодог утгаараа эдгээрийг ихэвчлэн 30 нм ширхэгүүд гэж нэрлэдэг боловч амьд эсийн эдгээр бүтцийн нарийн ширийн зүйлс нь илүү динамик бөгөөд үргэлж жигд байдаггүй. Цаашилбал, хроматины ширхэгүүд нь цөмийн уургийн хүрээнд бэхлэгдсэн гогцоо үүсгэдэг тул ДНХ-ийг орон зайн хувьд зохион байгуулдаг.
в. Метафазын хромосомууд
Эсийн хуваагдлын (митоз ба мейоз) үед хроматин нь нягт конденсацлагдаж, метафазын хромосом үүсгэдэг бөгөөд үүнийг микроскопоор амархан харж болно. Энэхүү конденсац нь ДНХ-ийг охин эсүүд рүү орооцолдохгүй, хугаралгүйгээр нарийн салгахад чухал үүрэгтэй.
3. Хроматин: Эухроматин ба Гетерохроматин
Геномын зохион байгуулалт нь транскрипцийн механизмаар ДНХ хэрхэн "нээгдсэн" эсвэл "хаагдсан"-тай холбоотой.
– Эухроматин нь хроматины илүү сул хэлбэр бөгөөд идэвхтэй генээр баялаг бөгөөд илүү хялбар транскрипцид ордог. Энэ хэсэг нь илүү "нээлттэй" байх хандлагатай байдаг тул транскрипцийн хүчин зүйлс болон РНХ полимераза нь ДНХ-тэй холбогдох боломжийг олгодог.
– Гетерохроматин нь хроматины илүү авсаархан хэлбэр бөгөөд ерөнхийдөө транскрипцийн идэвхжил багатай байдаг. Гетерохроматин нь конститутив (үргэлж авсаархан, жишээлбэл, центромер ба теломер дээр) эсвэл факультатив (эсийн төрөл эсвэл хөгжлийн үе шатнаас хамааран өөр өөр байж болно, жишээлбэл, эмэгчин хөхтөн амьтдын идэвхгүйжүүлсэн X хромосом) байж болно.
Энэ ялгаа нь ДНХ-ийн сав баглаа боодол нь зөвхөн физик төдийгүй генийн зохицуулалтын механизм гэдгийг харуулж байна.
4. Хромосомын бүтцийн элементүүд : Центромер, Теломер ба Репликацийн үүсэл
Эукариот хромосом бүр генетикийн тогтвортой байдал, удамшлыг хангах гол хэсгүүдтэй байдаг:
– Центромер гэдэг нь эсийн хуваагдлын үед хромосомыг ээрмэлийн ширхэгтэй холбодог уургийн бүтэц болох кинетохорууд үүсдэг хэсэг юм. Центромер нь эгч хроматидуудыг зөв салгахад чухал үүрэгтэй.
– Теломерууд нь тодорхой ДНХ-ийн давталт болон хамгаалалтын уургуудаас бүрдэх хромосомын төгсгөлүүд юм. Теломерууд нь хромосомын төгсгөлүүдийг гэмтсэн ДНХ гэж үзэхээс сэргийлж, хромосомуудын хоорондын нэгдэл үүсэхээс сэргийлдэг. ДНХ-ийн репликацийн үед теломер богиносох бөгөөд теломераза фермент нь тодорхой эсүүдэд тэдгээрийг уртасгаж чаддаг.
– Репликацийн (ori) үүсэл нь ДНХ-ийн репликацийн эхлэлийн цэг юм. Эукариотуудад нэг хромосом дээр олон oris байдаг нь репликацийг илүү хурдан бөгөөд үр дүнтэй явуулах боломжийг олгодог.
5. Цөм дэх геномын 3 хэмжээст архитектур
Орчин үеийн судалгаагаар геном нь эсийн цөм дотор санамсаргүй байдлаар зохион байгуулагдаагүй болохыг харуулж байна. ДНХ нь гурван хэмжээст орон зайд байрладаг бөгөөд генийн илэрхийлэлд нөлөөлдөг.
а. Хромосомын нутаг дэвсгэр
Хромосом бүр цөмд хромосомын нутаг дэвсгэр гэж нэрлэгддэг тодорхой хэсгийг эзлэх хандлагатай байдаг. Хромосомуудын хооронд харилцан үйлчлэл байдаг ч нутаг дэвсгэрийн тусгаарлалт нь эмх цэгцийг хадгалах, орооцолдохыг багасгахад тусалдаг.
b. Давталт ба Алсын Холбоо барих
Хроматины гогцоо үүсэх замаар шугаман зайтай боловч орон зайн хувьд ойрхон байдаг энхансерууд генийг идэвхжүүлж болно. CTCF болон когезин цогцолбор зэрэг уургууд нь эдгээр гогцоог үүсгэх, хадгалахад гол үүрэг гүйцэтгэдэг.
c. TAD (Топологийн хувьд холбоотой домэйнууд)
Геном нь мөн TAD гэж нэрлэгддэг харилцан үйлчлэлийн домэйнд хуваагддаг бөгөөд энэ нь бусад хэсгүүдтэй харьцуулахад өөрсөдтэйгөө илүү олон удаа харилцан үйлчилдэг ДНХ-ийн хэсгүүд юм. TAD нь сайжруулагч бодисууд нь "зөв" генийг идэвхжүүлж, хүсээгүй генийг идэвхжүүлэхээс урьдчилан сэргийлэхэд тусалдаг.
6. Эпигенетик: ДНХ-ийн дарааллыг өөрчлөхгүйгээр генийг зохицуулах нь
Эукариот геномын зохион байгуулалт нь эпигенетикийн механизмаас ихээхэн хамаардаг бөгөөд энэ нь ДНХ-ийн суурийн дарааллыг өөрчлөхгүйгээр генийн илэрхийлэлд нөлөөлдөг өөрчлөлтүүд юм . Хоёр үндсэн механизм нь:
– Ацетилжилт, метилжилт, фосфоржилт, убиквитинжилт зэрэг гистоны өөрчлөлтүүд. Гистоны ацетилжилт нь ерөнхийдөө хроматиныг илүү нээлттэй болгож, транскрипцийг сайжруулдаг бол метилжилтийн зарим хэлбэр нь үлдэгдлийн байршлаас хамааран транскрипцийг идэвхжүүлж эсвэл дарангуйлж чаддаг.
– ДНХ-ийн метилжилт нь амьтдын CpG нөхцөлд цитозинуудад ихэвчлэн тохиолддог. ДНХ-ийн метилжилт нь ихэвчлэн транскрипцийн дарангуйлал болон гетерохроматин үүсэхтэй холбоотой байдаг.
Эпигенетик нь ижил геномд генийн илэрхийлэлийн өөр өөр хэв маягаар дамжуулан мэдрэлийн эс, булчингийн эс, цусны эс гэх мэт өөр өөр үүрэгтэй өөр өөр төрлийн эсийг үүсгэх боломжийг олгодог .
7. Органеллын геномууд: Митохондри ба Хлоропластууд
Цөмийн геномоос гадна эукариотууд митохондрийн геномтой, ургамалд хлоропласттай байдаг. Органеллийн геномууд нь ерөнхийдөө дугуй хэлбэртэй бөгөөд олон зүйлд эхийн удамшлын шинж чанартай байдаг. Митохондрийн генийн тоо харьцангуй бага боловч тэдгээрийн үүрэг нь энерги үйлдвэрлэхэд чухал үүрэгтэй. Сонирхолтой нь, эдгээр органеллуудад өмнө нь байсан олон генүүд хувьслын явцад цөм рүү шилжсэн тул органеллийн үйл ажиллагаа нь ихэвчлэн цөмийн геномоор кодлогдсон уургуудаас хамаардаг.
8. Геномын зохион байгуулалтын эрүүл мэнд ба хувьсалд үзүүлэх нөлөө
Геномын зөв зохион байгуулалт нь генетикийн тогтвортой байдлыг хангадаг. Теломерын гэмтэл, хроматины үүсэлтийн алдаа, эсвэл эпигенетикийн зохицуулалтын тасалдал нь хорт хавдар, хөгжлийн эмгэг зэрэг янз бүрийн өвчнийг өдөөж болно. Жишээлбэл, ДНХ-ийн метилжилтийн хэв маягийн өөрчлөлт нь онкогенийг идэвхжүүлэх эсвэл хавдрын дарангуйлагч генийг идэвхгүй болгох боломжтой. Цаашилбал, транслокаци гэх мэт хромосомын бүтцийн өөрчлөлт нь хоёр генийг нэгтгэж, хортой нэгдлийн уургуудыг үүсгэдэг.
Хувьслын явцад геномын зохион байгуулалт нь хувьсах боломжийг олгодог: генийн давхардал, рекомбинаци, зохицуулалтын элементүүдийн өөрчлөлт нь бүхэл бүтэн системийг өөрчлөхгүйгээр шинэ функцуудыг бий болгож чаддаг. Тиймээс эукариотын нарийн төвөгтэй байдал нь олон давхаргат геномын зохион байгуулалтаар дамжуулан генийн илэрхийлэлийг нарийн зохицуулах чадвараас ихээхэн хамаардаг.
Дүгнэлт
Эукариот эсийн геномын зохион байгуулалт нь нуклеосомыг үндсэн нэгж болгон ашиглахаас эхлээд эухроматин ба гетерохроматин үүсэх хүртэл хромосомын нутаг дэвсгэр, TAD зэрэг гурван хэмжээст архитектур хүртэл өндөр бүтэцтэй, динамик систем юм. Эдгээр бүх түвшний зохион байгуулалт нь ДНХ-ийг нягтруулж, хамгаалж, хуулбарлаж, өвлөн авч, эсийн хэрэгцээнд нийцүүлэн илэрхийлэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Эпигенетикийн механизм болон цөм доторх орон зайн зохицуулалтаар дамжуулан эукариот эсүүд хэдэн зуун мянгаас хэдэн мянган генийг нарийн хянах чадвартай байдаг. Геномын зохион байгуулалтыг ойлгох нь зөвхөн үндсэн биологийн хувьд чухал ач холбогдолтой төдийгүй өвчин, хөгшрөлт, ирээдүйн биотехнологийн шинэчлэлийг ойлгоход чухал ач холбогдолтой юм.
