نوکلئوزوم: واحد ساختاری کروماتین
DNA و معماری کروماتین
همه موجودات زنده از اطلاعات ژنتیکی برای هدایت رشد و عملکرد خود استفاده می‌کنند. این اطلاعات در مولکولی به نام DNA ذخیره شده است. اگر DNA یک سلول انسان را باز کنیم، طول آن به حدود 2 متر میرسد! سؤال اینجاست که چگونه این مولکول بلند درون هسته‌ای به قطر تنها 6 میکرومتر جای می‌گیرد؟ پاسخ در فرآیندی به نام بسته‌بندی نهفته است. DNA به دور پروتئین‌های خاصی به نام هیستون۵ می‌پیچد و ساختاری فشرده به نام کروماتین۶ را تشکیل می‌دهد. واحد اصلی و تکراری این ساختار، نوکلئوزوم نام دارد. برای درک بهتر، تصور کنید یک نخ کاموا (DNA) را به دور چندین قرقره کوچک (هیستون) بپیچید. این مجموعه نخ و قرقره، شبیه به یک نوکلئوزوم است.
اجزای تشکیل‌دهنده نوکلئوزوم
یک نوکلئوزوم از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یک هسته مرکزی و DNAی پیچیده‌شده به دور آن.
| جزء | توضیح | تعداد/طول |
|---|---|---|
| هسته هیستونی۷ | مجموعه‌ای از هشت پروتئین هیستون که مانند یک قرقره عمل می‌کنند. | 8 پروتئین (H2A, H2B, H3, H4) |
| DNA پیچیده‌شده | قطعه‌ای از DNA که حدود ۱.۶۵ بار به دور هسته هیستونی می‌پیچد. | 146 جفت باز۸ |
| هیستون اتصالی۹ (H1) | پروتئینی که DNAی ورودی و خروجی از نوکلئوزوم را تثبیت می‌کند و به فشرده‌سازی بیشتر کمک می‌نماید. | 1 پروتئین |
هسته هیستونی از دو کپی از هر یک از چهار پروتئین هیستون اصلی (H2A, H2B, H3, H4) تشکیل شده است. این پروتئین‌ها دارای بار مثبت هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهد به طور محکم به DNA با بار منفی متصل شوند.
سلسله مراتب بسته‌بندی DNA
نوکلئوزوم‌ها مانند مهره‌های یک تسبیح در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و ساختاری به نام "رشته مهره‌هایی در یک رشته" را تشکیل می‌دهند. این اولین سطح فشرده‌سازی DNA است. سپس این رشته با کمک هیستون H1 و سایر پروتئین‌ها، بیشتر فشرده شده و به ساختارهای ضخیم‌تری تبدیل می‌شود. در نهایت، در طول تقسیم سلولی، کروماتین به متراکم‌ترین شکل خود، یعنی کروموزوم۱۰، تبدیل می‌گردد. این سلسله مراتب شبیه به بسته‌بندی یک کابل بلند است: ابتدا آن را دور چندین قرقره می‌پیچید (نوکلئوزوم)، سپس قرقره‌ها را در یک جعبه مرتب می‌چینید (ساختارهای بالاتر) و در نهایت جعبه را برای حمل و نقل ایمن، مهر و موم می‌کنید (کروموزوم).
نوکلئوزوم و کنترل دسترسی به ژن‌ها
نوکلئوزوم‌ها فقط برای فشرده‌سازی نیستند؛ آن‌ها مانند نگهبان‌انی عمل می‌کنند که تصمیم می‌گیرند کدام بخش از DNA در دسترس باشد. وقتی DNA به طور محکم به دور هیستون‌ها پیچیده شده باشد، ماشین‌آلات سلولی نمی‌توانند به آن دسترسی پیدا کنند تا ژن‌ها را فعال کنند. این حالت "خاموش" است. زمانی که سلول نیاز به استفاده از یک ژن خاص دارد، نوکلئوزوم می‌تواند کمی شل شود یا به طور کامل جابه‌جا گردد تا آن ناحیه از DNA در معرض دید قرار گیرد. این حالت "روشن" است. این فرآیند "اصلاح هیستونی"۱۱ نامیده می‌شود و برای عملکردهای اساسی مانند رونویسی ژن‌ها حیاتی است. برای مثال، در سلول‌های کبد، ژن‌های مربوط به ساخت آنزیم‌های کبدی در حالت "باز" و در دسترس قرار دارند، در حالی که ژن‌های مربوط به عملکرد سلول‌های عصبی در آن نواحی "بسته" و غیرفعال هستند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. نوکلئوزوم کوچک‌ترین واحد ساختاری و تکراری کروماتین است. کروموزوم بالاترین سطح سازمان‌دهی و فشرده‌سازی DNA است که فقط در طول تقسیم سلولی دیده می‌شود. هزاران نوکلئوزوم در ساختار یک کروموزوم شرکت دارند.
خیر. نوکلئوزوم یک ویژگی سلول‌های یوکاریوتی۱۲ است. این یعنی در سلول‌های گیاهان، حیوانات، قارچ‌ها و حتی موجودات میکروسکوپی مانند آمیب که هسته واقعی دارند، یافت می‌شود. سلول‌های پروکاریوتی۱۳ (مانند باکتری‌ها) که هسته ندارند، فاقد نوکلئوزوم به این شکل هستند.
بدون نوکلئوزوم، DNA نمی‌تواند به درستی در هسته فشرده شود. این امر منجر به بی‌نظمی، آسیب‌پذیری DNA و اختلال در خواندن اطلاعات ژنتیکی می‌شود. چنین وضعیتی برای سلول کشنده است، زیرا نمی‌تواند عملکردهای طبیعی خود را انجام دهد یا به درستی تقسیم شود.
پاورقی
۱ نوکلئوزوم (Nucleosome)
۲ دی‌اکسی‌ریبو نوکلئیک اسید (Deoxyribonucleic Acid)
۳ رونویسی (Transcription)
۴ تقسیم سلولی (Cell Division)
۵ هیستون (Histone)
۶ کروماتین (Chromatin)
۷ هسته هیستونی (Histone Octamer)
۸ جفت باز (Base Pair)
۹ هیستون اتصالی (Linker Histone)
۱۰ کروموزوم (Chromosome)
۱۱ اصلاح هیستونی (Histone Modification)
۱۲ یوکاریوتی (Eukaryotic)
۱۳ پروکاریوتی (Prokaryotic)