Biochemický výskum v genetike je dôležitým spôsobom štúdia jej základných prvkov - chromozómov a génov. V tomto článku sa pozrieme na to, čo je chromatín, zistíme jeho štruktúru a funkciu v bunke.
K hlavným procesom, ktoré charakterizujú organizmy,život na Zemi zahŕňa dýchanie, výživu, rast, vylučovanie a reprodukciu. Posledná uvedená funkcia je najdôležitejšia pre zachovanie života na našej planéte. Ako si pamätať, že prvé prikázanie, ktoré Boh dal Adamovi a Eve, bolo toto: „Ploďte a množte sa.“ Generatívnu funkciu na bunkovej úrovni vykonávajú nukleové kyseliny (základná látka chromozómov). Tieto štruktúry zvážime neskôr.
Dodávame tiež, že ukladanie a prenosdedičné informácie pre potomkov sa vykonávajú podľa jediného mechanizmu, ktorý vôbec nezávisí od úrovne organizácie jednotlivca, to znamená pre vírus, pre baktérie a pre ľudí, je univerzálny.
V tejto práci študujeme chromatín, štruktúru aktorých funkcie priamo závisia od organizácie molekúl nukleových kyselín. V roku 1869 švajčiarsky vedec Miescher objavil zlúčeniny vykazujúce vlastnosti kyselín v jadrách buniek imunitného systému, ktoré nazval najskôr nukleín, a potom nukleovými kyselinami. Z hľadiska chémie sú to zlúčeniny s vysokou molekulovou hmotnosťou - polyméry. Ich monoméry sú nukleotidy s nasledujúcou štruktúrou: purínová alebo pyrimidínová báza, pentóza a zvyšok kyseliny fosforečnej. Vedci zistili, že v bunkách môžu byť prítomné dva typy nukleových kyselín: DNA a RNA. Vstupujú do komplexu s proteínmi a tvoria podstatu chromozómov. Rovnako ako proteíny, nukleové kyseliny majú niekoľko úrovní priestorovej organizácie.
V roku 1953 nositelia Nobelovej cenyWatson a Crick rozlúštili štruktúru DNA. Ide o molekulu pozostávajúcu z dvoch reťazcov prepojených vodíkovými väzbami, ktoré vznikajú medzi dusíkatými zásadami podľa princípu komplementarity (oproti adenínu je tymínová báza, oproti cytozínu - guanínu). Chromatín, ktorého štruktúru a funkciu skúmame, obsahuje molekuly deoxyribonukleových a ribonukleových kyselín rôznych konfigurácií. Tejto problematike sa budeme podrobnejšie venovať v časti „Úrovne organizácie chromatínu“.
DNA je prítomná v cytoštruktúrach ako naprjadro, ako aj v organelách schopných delenia - mitochondrie a chloroplasty. Je to spôsobené tým, že tieto organely vykonávajú v bunke najdôležitejšie funkcie: syntézu ATP, ako aj syntézu glukózy a tvorbu kyslíka v rastlinných bunkách. V syntetickej fáze životného cyklu sa rodičovské organely zdvojnásobia. V dôsledku mitózy (rozdelenie somatických buniek) alebo meiózy (tvorba vajíčok a spermií) teda dcérske bunky dostanú potrebný arzenál bunkových štruktúr, ktoré poskytujú bunkám živiny a energiu.
Kyselina ribonukleová pozostáva z jedného reťazca amá nižšiu molekulovú hmotnosť ako DNA. Je obsiahnutý v jadre aj v hyaloplazme a je tiež súčasťou mnohých bunkových organel: ribozómov, mitochondrií, endoplazmatického retikula, plastidov. Chromatín v týchto organelách je spojený s histónovými proteínmi a je súčasťou plazmidov - kruhových uzavretých molekúl DNA.
Takže sme zistili, že nukleové kyselinyobsiahnuté v substancii chromozómov - štruktúrne jednotky dedičnosti. Ich chromatín pod elektrónovým mikroskopom vyzerá ako granule alebo vláknové útvary. Obsahuje okrem DNA aj molekuly RNA a tiež proteíny, ktoré vykazujú základné vlastnosti a nazývajú sa históny. Všetky vyššie uvedené štruktúry sú súčasťou nukleozómu. Nachádzajú sa v chromozómoch jadra a nazývajú sa fibrily (solenoidové vlákna). Zhrnutím všetkého vyššie uvedeného definujme, čo je to chromatín. Ide o komplexnú zlúčeninu kyseliny deoxyribonukleovej a špeciálnych bielkovín - histónov. Molekuly dvojvláknovej DNA sú na ne navinuté, podobne ako na cievky, za vzniku nukleozómov.
Podstata dedičnosti má niečo inéštruktúra, ktorá závisí od mnohých faktorov. Napríklad v akom štádiu životného cyklu bunka prechádza: obdobie delenia (meióza alebo meióza), presyntetické alebo syntetické obdobie interfázy. Z formy solenoidu alebo fibrilu ako najjednoduchšej formy dochádza k ďalšiemu zhutňovaniu chromatínu. Heterochromatín je hustejší stav; vzniká v intrónových oblastiach chromozómu, kde nie je možná transkripcia. Počas pokojového obdobia bunky - interfázy, keď nedochádza k procesu delenia - sa heterochromatín nachádza v karyoplazme jadra pozdĺž periférie, v blízkosti jeho membrány. Zhutnenie jadrového obsahu nastáva v postsyntetickom štádiu životného cyklu bunky, to znamená bezprostredne pred delením.
Pokračovanie v štúdiu otázky „čo je chromatín“,vedci zistili, že jeho zhutnenie závisí od histónových proteínov, ktoré sú spolu s molekulami DNA a RNA súčasťou nukleozómu. Skladajú sa zo štyroch typov bielkovín, ktoré sa nazývajú základné a linkerové proteíny. V čase transkripcie (čítanie informácií z génov pomocou RNA) je látka dedičnosti slabo kondenzovaná a nazýva sa euchromatín.
Aktuálne funkcie distribúcieMolekuly DNA spojené s histónovými proteínmi sa naďalej skúmajú. Vedci napríklad zistili, že chromatín rôznych lokusov rovnakého chromozómu sa líši úrovňou kondenzácie. Napríklad v miestach prichytenia sa na chromozóme filamentov deliaceho vretena, nazývaných centroméry, je hustejšia ako v telomerických oblastiach - koncových lokusoch.
V koncepcii regulácie génovej aktivity,vytvorili francúzski genetici Jacob a Monod, dáva predstavu o existencii oblastí deoxyribonukleovej kyseliny, v ktorých nie sú žiadne informácie o štruktúrach bielkovín. Vykonávajú čisto byrokratické - manažérske funkcie. Tieto časti chromozómov, nazývané regulačné gény, spravidla nemajú vo svojej štruktúre histónové proteíny. Chromatín, ktorého stanovenie sa uskutočňovalo sekvenovaním, sa nazýval otvorený.
V priebehu ďalšieho výskumu sa zistilo, žeže tieto lokusy obsahujú sekvencie nukleotidov, ktoré zabraňujú prichyteniu proteínových častíc k molekulám DNA. Také miesta obsahujú regulačné gény: promótory, zosilňovače, aktivátory. Zhutnenie chromatínu v nich je vysoké a dĺžka týchto oblastí je v priemere asi 300 nm. Na stanovenie otvoreného chromatínu v izolovaných jadrách existuje biochemická metóda, v ktorej sa používa enzým DNáza. Veľmi rýchlo štiepi lokusy chromozómov bez histónových proteínov. Chromatín v týchto oblastiach sa nazýva precitlivený.
Komplexy vrátane DNA, RNA a bielkovín,nazývaný chromatín, sa podieľajú na ontogenéze buniek a menia ich zloženie v závislosti od typu tkaniva, ako aj od štádia vývoja organizmu ako celku. Napríklad v epitelových bunkách pokožky sú gény, ako je zosilňovač a promótor, blokované represorovými proteínmi a rovnaké regulačné gény v sekrečných bunkách črevného epitelu sú aktívne a nachádzajú sa v zóne otvoreného chromatínu. Genetickí vedci zistili, že DNA, ktorá nekóduje proteíny, tvorí viac ako 95% celého ľudského genómu. To znamená, že existuje oveľa viac kontrolných génov než tých, ktoré sú zodpovedné za syntézu peptidov. Zavedenie metód, ako sú DNA čipy a sekvenovanie, umožnilo zistiť, čo je chromatín, a v dôsledku toho vykonať mapovanie ľudského genómu.
Štúdie chromatínu sú v takých veľmi dôležitévedné odbory ako ľudská genetika a lekárska genetika. Je to spôsobené výrazne zvýšenou úrovňou výskytu dedičných chorôb, génových aj chromozomálnych. Včasná detekcia týchto syndrómov zvyšuje percento pozitívnej prognózy pri ich liečbe.
