Kromatin och epigenetik

KromatinKromatin är det komplex av DNA och proteiner (ex. histoner) som bygger upp kromosomerna i våra celler. DNA:t är då lindat runt proteinerna, och packas därmed i en extremt tät struktur som gör att den drygt 2 meter långa nukleotidsekvens som utgör vårt genom får plats i den lilla cellkärnan.

KromatinstrukturenKromatinet packas i flera steg, där ”beads on a string”-formationen (uppbyggd av nukleosomer) är den minsta på 11 nm i diameter. Kromatinet packas i tätare och tätare nivåer och bygger därmed upp kromosomerna.

Ett annat viktigt protein som kondenserar kromatinet ytterligare är condensin, som håller ihop DNA:t i systerkromatiderna under mitosen.

Kromatinstrukturen är dock dynamisk, vilket är nödvändigt för att DNA:t ska kunna vara aktivt genom replikation, reparation, transkription och så vidare. Tätt packat, inaktivt kromatin kallas heterokromatin och lösare packat, aktivt kromatin kallas eukromatin. Det finns generellt färre gener i heterokromatinet.

Vissa delar av kromosomerna är dock så gott som alltid tätt packat i heterokromatin. Centromeren är den del av kromosomerna där systerkromatiderna hålls ihop under mitosen. Den fungerar även som fästplatta för kinetochoren som mikrotubulit fäster i. Vid centromeren finns en viss histon (CENP-A) som bidrar till den mycket täta packningen av kromatinet vid centromeren.

Telomererna är kromosomernas ändar och består av repetitiva sekvenser som behövs för att skydda kromosomen och för att den ska replikeras fullständigt. Även telomererna är mycket tätt packade i heterokromatin.

Kromatinstrukturen varierar under cellcykeln, och är mest dekondenserad under interfasen och som mest kondenserad under mitosen.

NukleosomenDen minsta strukturella enheten i kromatin är nukleosomen. En nukleosom består av ett komplex av histoner (H2a, H2b, H3 och H4) som bildar en oktamer, och av en DNA-sekvens på 146 nukleotider lindad runt histonkomplexet. Histonerna i oktameren är evolutionärt välkonserverade, eftersom de spelar en så viktig roll för DNA:ts packning. Nukleosomerna

kan pressas ihop till den typiska 30 nm-strukturen i bilden, som i sin tur kan bilda stora 300 nm-loopar. Dessa loopar uppstår då kromatinet är mer utdraget (dekondenserat).

Kromatinremodellering och histonmodifieringEftersom kromatinet är dynamiskt, exponeras DNA:t ca 4 gånger per sekund, vilket möjliggör DNA-replikation och –reparation samt transkription. Exempelvis kan en transkriptionsaktivator binda sig till en temporärt exponerad DNA-sekvens och binda till sig ett kromatinremodellerande komplex som kan bana vägen för transkription.

De kromatinremodellerande komplexen kan remodellera kromatinstrukturen bland annat genom att byta ut histoner eller hela nukleosomer eller genom att knuffa ut histoner ur strukturen och på så vis blottlägga DNA-sekvenser.

Även histonerna kan modifieras genom att svansarna på histonerna modifieras kovalent genom acetylering, fosforylering eller metylering. Ofta är det aminosyran lysin i någon av histonernas svansar som modifieras. Acetylering och fosforylering leder till uppluckrande av kromatinstrukturen medan metylering ger en tätare, mindre aktiv struktur.1

Histonmodifieringarna regleras av enzymer såsom histonacetyltransferaser, metyltransferaser, demetylaser och så vidare. Modifieringarna styr på så vis alltså kromatinets packningsgrad och därmed genernas aktivitet.

HistonkodenHistonkoden kan definieras som de modifieringar histonerna genomgått, och vilken effekt det har på genernas aktivitet. Dessa histonmodifieringar påverkar kromatinstrukturen och proteiner kan läsa av dessa modifieringar. Denna avläsning kan sedan trigga transkription vilket genererar den genetiska koden och därmed resulterar i att proteiner och RNA uttrycks.

EpigenetikEpigenetik handlar om (ärftliga) förändringar i kromatinstrukturen, alltså inte om förändringar i nukleotidsekvensen i DNA! Som redan nämnts innebär förändringar i kromatinstrukturen förändringar i genuttrycket. Epigenetiska förändringar är dock reversibla, till skillnad från genetiska, men de kan även ärvas i vissa fall.

Det finns olika typer av epigenetisk förändring. De två viktiga är histonmodifiering och DNA-metylering (av ex. cytosin).

Kromatinstrukturens inverkan på genuttrycket är viktig att känna till. Epigenetiska förändringar av kromatinet kan (liksom mycket annat…) orsaka cancer.

1 Detta beror på att histonerna är positivt laddade, och därför i sina omodifierade tillstånd binder väl till den negativa DNA-helixen. När negativa grupper som acetyl- och fosfatgrupper binder in blir histonerna mer neutrala och bindningen till DNA:t minskar i styrka. Kromatinstrukturen luckras alltså upp.