מחקר ביוכימי בגנטיקה הוא דרך חשובה לחקור את היסודות הבסיסיים שלו – כרומוזומים וגנים. במאמר זה נבחן מהו כרומטין, נברר את המבנה והתפקוד שלו בתא.
לתהליכים העיקריים המאפיינים אורגניזמים,החיים על פני כדור הארץ כוללים נשימה, תזונה, צמיחה, הפרשה ורבייה. הפונקציה האחרונה היא החשובה ביותר לשימור החיים על הפלנטה שלנו. איך לא לזכור שהציווי הראשון שנתן ה' לאדם וחוה היה הבא: "פרו ורבו". ברמת התא, התפקוד הינרטיבי מתבצע על ידי חומצות גרעין (החומר המרכיב של הכרומוזומים). מבנים אלו ייבחנו על ידינו בהמשך.
אנחנו גם מוסיפים ששמירה והעברהמידע תורשתי לצאצאים מתבצע על פי מנגנון יחיד, שאינו תלוי כלל ברמת הארגון של הפרט, כלומר עבור וירוס, עבור חיידקים ועבור בני אדם, הוא אוניברסלי.
בעבודה זו אנו לומדים כרומטין, מבנה ושתפקידיהם תלויים ישירות בארגון מולקולות חומצת הגרעין. בשנת 1869, המדען השוויצרי מישר גילה תרכובות המציגות את התכונות של חומצות בגרעיני התאים של מערכת החיסון, אותן הוא כינה תחילה נוקליין, ולאחר מכן חומצות גרעין. מנקודת מבט של כימיה, מדובר בתרכובות במשקל מולקולרי גבוה - פולימרים. המונומרים שלהם הם נוקלאוטידים בעלי המבנה הבא: בסיס פורין או פירמידין, פנטוז ושארית חומצה זרחתית. מדענים מצאו ששני סוגים של חומצות גרעין יכולים להיות בתאים: DNA ו-RNA. הם נכנסים לקומפלקס עם חלבונים ויוצרים את החומר של הכרומוזומים. כמו חלבונים, לחומצות גרעין יש כמה רמות של ארגון מרחבי.
בשנת 1953 זוכי פרס נובלווטסון וקריק פענחו את מבנה ה-DNA. זוהי מולקולה המורכבת משתי שרשראות המחוברות ביניהן בקשרי מימן הנוצרים בין בסיסים חנקניים על פי עקרון ההשלמה (המול לאדנין הוא בסיס תימין, מול ציטוזין - גואנין). כרומטין, את המבנה והתפקוד של אותו אנו חוקרים, מכיל מולקולות של חומצות דאוקסיריבונוקלאיות וריבונוקלאיות בתצורות שונות. על סוגיה זו נתעכב ביתר פירוט בסעיף "רמות ארגון הכרומטין".
DNA קיים במבנים ציטוניים כגוןהגרעין, כמו גם באברונים המסוגלים להתחלק - מיטוכונדריה וכלורופלסטים. זאת בשל העובדה שאברונים אלו מבצעים את התפקידים החשובים ביותר בתא: סינתזה של ATP, כמו גם סינתזה של גלוקוז ויצירת חמצן בתאי הצמח. בשלב הסינתטי של מחזור החיים, אברוני האב מוכפלים. כך, כתוצאה ממיטוזה (חלוקה של תאים סומטיים) או מיוזה (יצירת ביציות וזרע), תאי הבת מקבלים את הארסנל הדרוש של מבנים תאיים המספקים לתאים חומרי הזנה ואנרגיה.
חומצה ריבונוקלאית מורכבת משרשרת אחת ובעל משקל מולקולרי נמוך יותר מ-DNA. הוא כלול גם בגרעין וגם בהיאלופלזמה, והוא גם חלק מאברונים תאיים רבים: ריבוזומים, מיטוכונדריה, רטיקולום אנדופלזמי, פלסטידים. כרומטין באברונים אלו קשור לחלבוני היסטון והוא חלק מפלסמידים - מולקולות DNA סגורות מעגליות.
אז, קבענו כי חומצות גרעיןהכלול בחומר הכרומוזומים - היחידות המבניות של התורשה. הכרומטין שלהם תחת מיקרוסקופ אלקטרונים נראה כמו גרגירים או תצורות חוטיות. הוא מכיל, בנוסף ל-DNA, גם מולקולות RNA, וכן חלבונים המפגינים תכונות בסיסיות ונקראים היסטונים. כל המבנים לעיל הם חלק מהנוקלאוזום. הם נמצאים בכרומוזומים של הגרעין ונקראים פיברילים (חוטים סולנואידים). לסיכום כל האמור לעיל, בואו נגדיר מהו כרומטין. זוהי תרכובת מורכבת של חומצה deoxyribonucleic וחלבונים מיוחדים - היסטונים. מולקולות DNA דו-גדיליות כרוכות עליהן, כמו על סלילים, ליצירת נוקלאוזומים.
לחומר התורשה יש משהו אחרמבנה שתלוי בגורמים רבים. לדוגמה, באיזה שלב של מחזור החיים עובר התא: תקופת החלוקה (מיוזיס או מיוזה), התקופה הפרה-סינטטית או הסינתטית של האינטרפאזה. מצורת הסולנואיד, או הפיבריל, כצורה הפשוטה ביותר, מתרחשת דחיסה נוספת של הכרומטין. הטרוכרומטין הוא מצב צפוף יותר; הוא נוצר באזורי אינטרונים של הכרומוזום שבהם שעתוק בלתי אפשרי. בתקופת המנוחה של התא - interphase, כאשר אין תהליך חלוקה - הטרוכרומטין ממוקם בקאריופלזמה של הגרעין לאורך הפריפריה, ליד הממברנה שלו. דחיסה של התוכן הגרעיני מתרחשת בשלב הפוסט-סינתטי של מחזור החיים של התא, כלומר מיד לפני החלוקה.
ממשיכים ללמוד את השאלה "מהו כרומטין",מדענים מצאו שהדחיסה שלו תלויה בחלבוני ההיסטון, שיחד עם מולקולות ה-DNA וה-RNA, הם חלק מהנוקלאוזום. הם מורכבים מארבעה סוגי חלבונים הנקראים חלבוני ליבה ומקשרים. בזמן השעתוק (קריאת מידע מגנים באמצעות RNA), החומר התורשתי מתעבה בצורה חלשה ונקרא אאוכרומטין.
תכונות ההפצה הנוכחיותמולקולות DNA הקשורות לחלבוני היסטון ממשיכות להיחקר. לדוגמה, מדענים מצאו שהכרומטין של לוקוסים שונים של אותו כרומוזום שונה ברמת העיבוי. לדוגמה, במקומות ההתקשרות לכרומוזום של חוטי ציר החלוקה, הנקראים צנטרומרים, הוא צפוף יותר מאשר באזורים טלומרים - לוקוסים סופניים.
בתפיסה של ויסות פעילות הגנים,נוצר על ידי הגנטיקאים הצרפתים ג'ייקוב ומונוד, נותן מושג על קיומם של אזורי חומצה דאוקסיריבונוקלאית שבהם אין מידע על מבני החלבונים. הם מבצעים תפקידים ביורוקרטיים - ניהוליים בלבד. המכונה גנים מווסתים, חלקים אלה של כרומוזומים, ככלל, נטולי חלבוני היסטון במבנה שלהם. כרומטין, שקביעתו בוצעה על ידי רצף, נקרא פתוח.
במהלך מחקר נוסף, נמצא כישהלוקוסים הללו מכילים רצפי נוקלאוטידים המונעים מחלקיקי חלבון להיצמד למולקולות DNA. אתרים כאלה מכילים גנים מווסתים: מקדמים, משפרים, מפעילים. הדחיסה של הכרומטין בהם גבוהה, ואורכם של אזורים אלו הוא בממוצע כ-300 ננומטר. קיימת שיטה ביוכימית לקביעת כרומטין פתוח בגרעינים מבודדים, בה נעשה שימוש באנזים DNase. הוא מבקע מהר מאוד לוקוסים של כרומוזומים חסרי חלבוני היסטון. כרומטין באזורים אלה נקרא רגיש יתר.
קומפלקסים הכוללים DNA, RNA וחלבון,הנקרא כרומטין, מעורבים באונטוגנזה של תאים ומשנים את הרכבם בהתאם לסוג הרקמה, כמו גם לשלב ההתפתחות של האורגניזם בכללותו. לדוגמה, בתאי אפיתל של העור, גנים כמו משפר ומקדם נחסמים על ידי חלבונים מדכאים, ואותם גנים מווסתים בתאי הפרשה של אפיתל המעי פעילים וממוקמים באזור הכרומטין הפתוח. מדענים גנטיים מצאו ש-DNA, שאינו מקודד לחלבונים, מהווה יותר מ-95% מהגנום האנושי כולו. המשמעות היא שיש הרבה יותר גנים בקרה מאלה שאחראים לסינתזה של פפטידים. הכנסת שיטות כמו שבבי DNA ורצף אפשרו לגלות מהו כרומטין, וכתוצאה מכך לבצע מיפוי של הגנום האנושי.
מחקרי כרומטין חשובים מאוד בכאלהענפי מדע כמו גנטיקה אנושית וגנטיקה רפואית. זה נובע מהעלייה החדה ברמת ההתרחשות של מחלות תורשתיות, הן גנטיות והן כרומוזומליות. גילוי מוקדם של תסמונות אלו מעלה את אחוז הפרוגנוזה החיובית בטיפול בהן.
