Đóng gói DNA: Nucleosome và Chromatin

DNA trong mỗi người chúng ta dài gấp hơn 600 lần khoảng cách từ Trái Đất tới mặt trời. Làm cách nào mà lượng DNA khổng lồ đó có thể gói gọi lại thành các nhiễm sắc thể và chứa trong một nhân tế bào tí hon?

Hệ gene đơn bội của người chứa khoảng 3 tỷ cặp base và được gói thành 23 nhiễm sắc thể. Hầu hết tế bào trong cơ thể (trừ các tế bào giao tử đực và cái) là nhị bội, chứa 23 cặp nhiễm sắc thể. Điều đó có nghĩa mỗi tế bào chứa 6 tỷ cặp base DNA. Vì mỗi cặp base dài khoảng 0,34 nanometer (một nanometer bằng 1 phần tỷ mét), nên mỗi tế bào nhị bội chứa: (0.34 x 10-9) x (6 x 109) = 2 mét. Hơn nữa, người ta ước tính rằng cơ thể người chứa khoảng 50 nghìn tỷ tế bào, có nghĩa là mỗi người có 100 nghìn tỷ mét DNA. Khoảng cách từ mặt trời tới Trái Đất là 150 tỷ mét; có nghĩa rằng mỗi người chúng ta có lượng DNA dài hơn 600 lần khoảng cách từ Trái Đất tới mặt trời. Sao lại có thể như thế được?

DNA, Histone, và Chromatin (sợi nhiễm sắc)

Câu trả lời nằm ở chỗ sợi DNA được một số protein gói gọn lại. Các protein này được gọi là các histone, và phức hợp DNA-histone được gọi là chromatin (sợi nhiễm sắc). Điều này cũng giống như khi ta quấn một sợi len rất dài quanh một lõi để tạo thành một cuộn len nhỏ gọn vậy.
Histone là một họ gồm các protein nhỏ, tích điện dương có tên H1, H2A, H2B, H3 và H4. DNA tích điện âm do các gốc phosphate trong khung đường-phosphate nên histone có thể liên kết rất chặt với DNA.

Hình 1. Các nhiễm sắc thể được tạo thành từ DNA quấn chặt quanh các histone

DNA nhiễm sắc thể được gói gọn trong nhân nhờ sự hỗ trợ của các histone. Histone là các protein tích điện dương liên kết chặt với DNA tích điện âm và tạo thành các phức hợp gọi là nucleosome. Mỗi nucleosome gồm sợi DNA quấn 1,65 vòng quanh 8 protein histone. Các nucleosome quấn lại thành sợi nhiễm sắc dày 30-nm, sợi này lại tạo thành các đoạn lặp dài trung bình khoảng 300-nm. Sợi 300-nm này được nén và gấp lại thành sợi dày khoảng 250-nm. Cuối cùng, sợi này cuộn xoắn chặt lại thành nhiễm sắc tử trong nhiễm sắc thể.

Nucleosome: Đơn vị cấu trúc của chất nhiễm sắc

Đơn vị cấu trúc cơ bản của chất nhiễm sắc là nucleosome, tạo thành từ 8 protein histone và khoảng 146 cặp base DNA. Dưới kính hiển vi điện tử, các nucleosome trông giống như các hạt trong một chuỗi hạt.

Hình 2. Ảnh dưới kính hiển vi điện tử của chất nhiễm sắc

Trong ảnh này, các nucleosome (mũi tên) trông giống như các hạt trong một chuỗi hạt.

Ngày nay, các nhà khoa học biết được rằng cấu trúc của một nucleosome là như sau: 2 protein của mỗi loại histone (H2A, H2B, H3 và H4) kết hợp với nhau tạo thành bộ tám (octamer) histone, bộ tám này liên kết và quấn khoảng 1,65 vòng DNA, hay khoảng 146 cặp base. Protein histone H1 được bổ sung thêm và quấn thêm 20 cặp base nữa, tạo thành hai vòng quấn hoàn chỉnh quanh bộ tám, và tạo thành một cấu trúc gọi là chromatosome. Như vậy quanh bộ tám histone có khoảng 166 cặp base, không dài lắm, vì mỗi nhiễm sắc thể chứa tới hơn 100 triệu cặp base. Do đó, mỗi nhiễm sắc thể chứa hàng trăm ngàn nucleosome, và các nucleosome này được gắn với nhau bởi các đoạn DNA tự do nằm giữa chúng (dài khoảng 20 cặp base). Các DNA nằm giữa các nucleosome này được gọi là DNA liên kết (linker DNA).

Dưới đây là hình ảnh tinh thể cấu trúc của một nucleosome. Khung phosphodiester của DNA chuỗi xoắn kép có màu nâu và xanh ngọc lam, các protein histone có màu xanh dương (H3), xanh lá cây (H4), vàng (H2A), và đỏ (H2B). Lưu ý rằng chỉ có các tế bào nhân chuẩn eukaryote mới có nucleosome, các tế bào prokaryote không có.

Hình 3. Cấu trúc của một nucleosome.

Sợi nhiễm sắc được cuộn lại thành các cấu trúc bậc cao hơn

Việc gói gọn DNA thành các nucleosome rút ngắn chiều dài sợi DNA khoảng 7 lần. Nói cách khác, đoạn DNA dài 1 mét trở thành sợi nhiễm sắc dạng chuỗi hạt dài khoảng 14 cm. Dù vậy, sợi nhiễm sắc vẫn còn quá dài để có thể chứa trong nhân, vốn chỉ có đường kính khoảng 10 đến 20 micro mét. Do đó chromatin còn được cuộn lại thành các sợi ngắn hơn, dày hơn gọi là sợi 30-nm do sợi này có đường kính khoảng 30-nm (Hình 4).

Hình 4. Hình ảnh dưới kính hiển vi điện tử của sợi nhiễm sắc.

Sợi nhiễm sắc 30-nm. Scale bar = 50 nm.

Các quá trình như phiên mã và tái bản yêu cầu rằng hai sợi DNA phải tạm thời tách rời nhau, cho phép các polymerase tiếp cận sợi DNA khuôn. Tuy nhiên, các nucleosome và sự cuộn gấp sợi nhiễm sắc thành các sợi 30-nm lại là hàng rào cho các enzyme này. Do đó, tế bào phải có các cơ chế để giãn (giảm cuộn xoắn) sợi nhiễm sắc thể và/hoặc tạm thời loại bỏ các histone để cho phép sự phiên mã và tái bản xảy ra. Nói chung, có hai cơ chế chính khiến sợi nhiễm sắc trở nên dễ tiếp cận hơn:

- Các histone có thể được bổ sung thêm các gốc acetyl, methyl, hoặc phosphate.
- Các histone có thể được dịch chuyển bởi phức hợp tái cấu trúc sợi nhiễm sắc (chromatin remodeling complex), qua đó các polymerase và các enzyme khác có thể tiếp cận được với trình tự DNA bao quanh.
Các biến đổi này là thuận nghịch nên sợi nhiễm sắc có thể quay trở lại trạng thái nén gọn trước đó sau khi thực hiện xong phiên mã và/hoặc tái bản.

Nhiễm sắc thể được gói gọn nhất trong trung kỳ (metaphase)

So sánh chiều dài của nhiễm sắc thể trong trung kỳ với DNA không cuộn nén thì tỷ số nén của DNA trong nhiễm sắc thể giai đoạn trung kỳ là khoảng 10.000 : 1 (tùy vào nhiễm sắc thể). Điều này tương tự như cuộn một đoạn dây dài bằng cả sân bóng đá thành một khối ngắn hơn một cm. Mức độ nén này đạt được là nhờ việc cuộn, gấp các sợi nhiễm sắc liên tục thành các vòng lặp và xoắn (Hình 1). Cơ chế chính xác của điều này vẫn chưa được rõ, nhưng phosphorylation của histone H1 có thể đóng vai trò nào đó.

Lược dịch từ:
http://www.nature.com/scitable/topicpage/dna-packaging-nucleosomes-and-chromatin-310

4:32 PM