Hur får två meter DNA plats?

Inne i cellen är DNA associerat med proteiner och varje DNA-molekyl med dess proteiner kallas för en kromosom. Detta sätt att organisera DNA på gäller för prokaryoter, eukaryoter, och även virus. Att packa DNA i kromosomer fyller flera viktiga funktioner. För det första, är kromosomen en kompakt form av DNA som får plats i cellen. För det andra, så är DNA packat i kromosomer skyddade från DNA-skador. Opackat DNA är relativt instabilt inne i cellen, i kontrast till kromosomalt DNA som är väldigt stabilt. För det tredje, endast en väl packad kromosom kan effektivt fördelas jämnt till dottercellerna. Slutligen så medför kromosomen en övergripande organisation av varje DNA-molekyl. Denna organisationen reglerar tillgängligheten på DNA och således alla processer som involverar DNA.

Hälften av den molekylära massan hos en eukaryot kromosom är proteiner. I eukaryota celler kallas en given region av DNA med dess associerade proteiner för kromatin, och majoriteten av de associerade proteinerna är små, basiska, och kallas för histoner. Även om de inte är lika vanliga så finns det andra icke-histonproteiner som associerar med eukaryota kromosomer. Här inkluderas ett antal DNA-bindande proteiner som reglerar replikation, reparering, rekombination, och transkriptionen av cellulärt DNA.

Proteinkomponenten hos kromatinet har en annan essentiell funktion: att göra DNAt mer kompakt. Följande beräkning gör dess viktiga funktion tydlig. En mänsklig cell har 3 * 10^9 baspar per haploid (de flesta mänskliga celler är diploida, alltså en dubbel uppsättning kromosomer där hälften kommer från mamman och hälften från pappan, så är den haploida uppsättning hälften av tillgängliga DNAt hos en typisk cell) uppsättning kromosomer. Varje baspar motsvarar en längd längs med DNAt som är 3.4 Ångström. Därför är den totala längden DNA i en haploid cell en meter, eller två meter hos en diploid cell. Eftersom att en typisk cellkärna hos mänskliga celler är mellan 10 till 15 mikrometer, är det klart att DNAt måste packas mycket för att få plats i cellkärnan. Hur är detta möjligt?

Det mesta av packningen i mänskliga celler (och andra eukaryota celler) är resultatet av associationen med histoner och dessa bildar strukturer som kallas nukleosomer. Bildandet av nukleosomer är ett första steg i att packa DNA i en form där dess längd reduceras 10.000-falt. Men att packa DNA har ett pris. Att packa DNA med histoner minskar DNAets tillgänglighet. Denna otillgängligheten kan krocka med processer så som replikation, reparering, rekombination, och transkription. Eukaryota celler utnyttjar denna inhibitoriska effekt för att reglera uttrycket av gener. Genom att modifiera histoner möjliggörs att proteiner kan interagera med dessa specifika regionerna. Dessa modifieringar görs möjliga genom enzymer som modifierar eller flyttar på nukleosomerna. Dessa processer är lokala och dynamiska, vilket tillåter enzymer och reglerande proteiner att få tillgång till kromosomen och vid olika tidpunkter.

Prokaryota celler har vanligtvis mindre genom, men det är även viktigt för dessa att packa sitt DNA. Escherichia coli måste packa sin 1 millimeter kromosom i en cell som är endast 1 mikrometer lång. Det är inte lika klart hur bakteriella genom är packade. Bakterier har inga histoner eller nukleosomer, däremot har de andra små basiska proteiner som troligtvis har en liknande funktion.

På bilden syns histonproteiner med DNA virat runt.