Chromatin, DNA-Struktur & Sequenzen: Aufbau und Analyse

Chromatin: Struktur und Zusammensetzung

Chromatin ist eine Art molekulares Gebilde, in dem DNA und basische Proteine (Histone) eine ständige Verbindung eingehen, die während der gesamten Lebensdauer der Zelle besteht. Es gibt auch andere Moleküle, die Teil des Chromatins sind und nur vorübergehend während der Zellteilung oder -bildung vorhanden sind, wie verschiedene Arten von RNA (rRNA, tRNA und mRNA), Enzyme, die an Transkription und Replikation beteiligt sind (Polymerasen), Enzyme, die an Kondensationszyklen beteiligt sind, und Enzyme, die die Genexpression regulieren. Daher ist das Chromatin eine dynamische Struktur.

Die Zusammensetzung des Chromatins ist von grundlegender Bedeutung: RNA + DNA + Protein. Die DNA ist die wichtigste Komponente des Chromatins aus struktureller und funktioneller Sicht. Sie ist der Träger der Erbinformation von der Mutter- zur Tochterzelle und wird ohne Informationsverlust transkribiert.

DNA-Strukturebenen

• Primärstruktur: die lineare Kette von Nukleotiden, verbunden durch Phosphodiesterbindungen in 5'-3'-Richtung. Zwei Ketten bilden eine antiparallele Struktur.
• Sekundärstruktur: die räumliche Anordnung, die die doppelsträngige DNA-Doppelhelix bildet.
• Tertiärstruktur: Die DNA ist um Histone gewickelt, um das Chromatin (Euchromatin) zu bilden.
• Quartärstruktur: Das Chromatin wird weiter gefaltet und bildet Chromosomen (Heterochromatin).

Methoden zur Untersuchung von DNA

DNA-Sonden für die molekulare Erkennung

Wenn DNA auf über 100 °C erhitzt oder einem hohen pH-Wert ausgesetzt wird, entfaltet sich die Doppelhelix und die beiden Stränge trennen sich.

Es gibt zwei Arten von Sonden:

• Heterogene Sonden: DNA wird denaturiert und in einzelsträngige Fragmente gleicher Größe, aber mit unterschiedlichen Sequenzen, zerlegt und dann renaturiert. Mit dieser Methode wird die Geschwindigkeit der Reassoziation der Einzelstrangketten gemessen.
• Homogene Sonden: sind genauer definiert. Dabei ist die DNA-Sequenz bekannt und wird mit einer unbekannten einzelsträngigen DNA-Kette hybridisiert.

Restriktionsenzyme (Nukleasen)

Sie wirken wie eine Schere und schneiden immer die gleiche Sequenz von 4 bis 6 Nukleotiden. Sie dienen dazu, DNA zu schneiden, sie der Elektrophorese zu unterziehen und die Verteilung oder Basensequenz zu analysieren.

Elektronenmikroskopie von DNA

Mit diesen Methoden können wir schließen, dass es 3 Arten von Sequenzen in der DNA gibt:

DNA-Sequenztypen

Repetitive Sequenzen

• Hochdispers repetitive Sequenzen: Machen 5% des menschlichen Genoms aus. Die Länge der wiederkehrenden Einheit beträgt 300 bp. Es gibt 500.000 Exemplare beim Menschen.
• Satelliten-DNA: Macht 6% des menschlichen Genoms aus. Kurze Sequenzen (1-10 bp) sind in Blöcken zusammengefasst und identisch. Ihre Aufgabe ist struktureller Natur. Sie befinden sich in der DNA von Zentromeren und Telomeren. Sie werden bezeichnet als:
  • Reguläre Satelliten-DNA (10^5-10^7 Kopien)
  • Minisatelliten-DNA (100-10^5 Kopien)
  • Mikrosatelliten-DNA (10-100 Kopien)

Mäßig repetitive Sequenzen

Machen zwischen 25-40% des menschlichen Genoms aus. Es sind Sequenzen von 100-10^5 bp, ähnliche oder identische Kopien, die in großen Mengen und im gesamten Genom verteilt sind. Typen:

• Multigenfamilien: ähnliche oder identische Gene, die sich von einem gemeinsamen Vorfahren-Gen ableiten. Z. B. rRNA, tRNA, Histone, Hämoglobin, Immunglobulin. Wiederholt in vielen Kopien vorhanden.
• Pseudogene: Haben von der strukturellen Sicht die gleiche Information, aber keine regulatorischen Sequenzen und können daher nicht exprimiert werden. Sie entstehen aus einem gemeinsamen Vorfahren-Gen, das mehrfach dupliziert wurde.
• Amplifizierte Gene: Sie stammen aus einem gemeinsamen Vorfahren-Gen mit mehreren Duplikationen. Beispiel: Die rDNA ist im Genom vorhanden und im Kernplasma, um mehr Transkription der rRNA in der embryonalen Entwicklung zu ermöglichen.
• Transposons (meist): Ein Transposon ist eine DNA-Sequenz, die sich selbstständig bewegen kann, um verschiedene Teile des Genoms einer Zelle zu erreichen, ein Phänomen, das als Transposition bekannt ist. Retrotransposons sind in der Lage, mittels Reverser Transkriptase in RNA transkribiert und dann wieder in DNA umgewandelt zu werden.

Einzigartige Sequenzen

Machen 50% des menschlichen Genoms aus. Repräsentieren Gene für alle strukturellen Proteine und Enzyme.

Weitere Chromatin-Komponenten

Transiente RNA-Komponenten

Transiente RNA-Komponenten, die während der Bildung Teil des Chromatins sind. Sie transportieren genetische Information vom Zellkern ins Zytoplasma. Alle RNA wird durch Transkription von chromosomaler DNA abgeleitet. Grundsätzlich werden folgende RNA-Typen von der DNA transkribiert und ins Zytoplasma transportiert: rRNA, mRNA, tRNA. RNA im Zellkern wird schnell abgebaut (ist labiler).

Proteine im Chromatin

Proteine können sich vorübergehend an die DNA binden (Enzyme) oder dauerhaft (Histone). Sie sind von grundlegender Bedeutung für die Bildung des Chromatins, seine Entwicklung zum Chromosom, seine Funktion und die Kontrolle der genetischen Aktivität.