Informatie

Waarom ontrollen chromosomen zich na celdelingen terug naar chromatine?


In de telofase van meiotische en mitotische celdelingen ontrollen de chromosomen van dochtercellen zich weer tot chromatine, maar na interfase wikkelt het zich weer op om zichtbare chromosomen te vormen. Waarom gebeurt dit? Is het niet eenvoudiger en handiger dat de chromosomen van de cellen in 1 celcyclus oprollen?


De gecondenseerde vorm van DNA die bestaat tijdens celdeling is strak gewonden en daarom niet beschikbaar voor de enzymen en transcriptiefactoren die een interactie aangaan met en DNA lezen. Dus als chromosomen constitutief zijn gecondenseerd, zal de cel geen RNA kunnen transcriberen en dus geen nieuwe eiwitten kunnen maken en dus niet kunnen groeien en delen. Het proces van selectief condenseren van bepaalde gebieden van DNA om binding van transcriptiefactoren en RNA-polymerase te voorkomen, is eigenlijk een geconserveerde methode van epigenetische transcriptionele regulatie in eukaryoten.

Je denkt misschien Waarom dan überhaupt DNA condenseren?

Niet-gecondenseerde chromosomen zijn moeilijk te scheiden en het niet goed scheiden van homologe chromosomen tijdens mitose (een fenomeen dat non-disjunctie wordt genoemd) kan leiden tot aneuploïdie. Aneuploïdie in geslachtscellen is vaak dodelijk en aneuploïdie in somatische cellen is een kenmerk van kanker.


Het gebeurt omdat genetische informatie van DNA alleen kan worden gelezen als het in de chromatinevorm is, het kan niet worden gelezen van chromosomen en dus kan de cel zijn functies niet vervullen. Maar als het nodig is om het genetische materiaal van de cel uit elkaar te halen, maakt de vorm van chromosomen het gemakkelijker


7.3: Mitotische fase - mitose en cytokinese

  • Bijgedragen door Suzanne Wakim & Mandeep Grewal
  • Hoogleraren (Cell Molecular Biology & Plant Science) aan Butte College

Kun jij raden wat deze kleurrijke afbeelding voorstelt? Het toont een eukaryote cel tijdens het proces van celdeling. In het bijzonder toont de afbeelding de kern van de celdeling. In eukaryote cellen deelt de kern zich voordat de cel zelf in tweeën splitst en voordat de kern zich deelt, wordt het DNA van de cel gerepliceerd of gekopieerd. Er moeten twee kopieën van het DNA zijn, zodat elke dochtercel een volledige kopie heeft van het genetische materiaal van de oudercel. Hoe wordt het gerepliceerde DNA gesorteerd en gescheiden, zodat elke dochtercel een complete set genetisch materiaal krijgt? Om die vraag te beantwoorden, moet je eerst meer weten over DNA en de vormen die het aanneemt.

Figuur (PageIndex<1>): Delende cel gekleurd met fluorescerende kleurstoffen. Je ziet chromosomen in blauw en spindels in groen.


Chromosomen herconfigureren als de celdeling eindigt

Chromosomen 4 (rood) en 18 (groen) zijn merkbaar kleiner in de kern van een ouder wordende cel (rechts) dan in een niet-verouderende cel (links). Krediet: Nicola Neretti/Brown University

Cellulaire veroudering - wanneer een cel niet langer kan delen - is een geprogrammeerde fase in de levenscyclus van een cel. Soms, zoals bij het ouder worden, zouden we willen dat het niet zo vaak gebeurde en soms, zoals bij kanker, zouden we willen dat het vaker zou gebeuren. Gezien de belangrijke effecten op de gezondheid, zouden biologen willen dat ze meer konden uitleggen over wat er in cellen gebeurt wanneer de veroudering zich aandient. Een nieuwe studie helpt door aan te tonen dat chromosomen enigszins getransformeerd worden, waardoor hun patronen van genexpressie veranderen.

"Er is een herconfiguratie van hun driedimensionale structuur, wat naar mijn mening nogal onverwacht was", zegt Nicola Neretti, assistent-professor biologie aan de Brown University en senior auteur van de studie in wetenschappelijke vooruitgang.

Over het algemeen ontdekte het team van Neretti dat chromosomen veel compacter worden, hoewel sommige delen in volume toenemen. Uit een analyse van hun ruimtelijke organisatie blijkt dat de meeste genen zich verplaatsen naar gebieden die "B" -compartimenten worden genoemd en die worden vergrendeld door strak gewonden chromatine dat hun expressie verhindert. Velen gaan echter naar "A"-compartimenten die losser zijn en daarom meer open voor genexpressie.

De soorten genen die door deze veranderingen worden beïnvloed, zijn vaak van belang voor veroudering. In hun analyse ontdekten de wetenschappers bijvoorbeeld dat ongeveer één op de acht genen die verband houden met celproliferatie en andere relevante celfuncties, overschakelen van relatief losse A-compartimenten naar meer restrictieve B-compartimenten.

Het onderzoek combineerde twee technieken. "Hi-C"-chromosoomconformatie-opname, voor het eerst gepubliceerd in 2009, stelde hen in staat om de veranderingen in de positionering van genen in A- of B-chromatinecompartimenten te ontdekken. Ondertussen labelden ze met de beeldvormingstechniek "FISH" (fluorescentie in situ hybridisatie) verschillende punten op het chromosoom fluorescent om de fysieke afstand ertussen direct te meten. Dat onthulde algemene fysieke veranderingen zoals de grootte en compactheid van de chromosomen voor en na veroudering. Onderzoekers hebben chromosomen verder in beeld gebracht met behulp van veel FISH-sondes, een techniek die "chromosoomverf" wordt genoemd, waardoor ze hele individuele chromosomen en hun samenstellende delen in de kern kunnen markeren.

De volumes die worden ingenomen door individuele chromosoomarmen zijn aanzienlijk verminderd in senescente cellen (rechts). Krediet: Nicola Neretti/Brown University

"De Hi-C geeft je veel informatie over wat er lokaal in het genoom gebeurt, maar geeft je geen informatie over de fysieke afstanden, dus daarom zijn we overgestapt op FISH," zei Neretti. "We hebben de afstanden 'uitgevist'."

FISH en chromosoomverf lieten bijvoorbeeld zien welke delen van het chromosoom compacter werden en welke uitzetten. In hun onderzoek zagen de wetenschappers dat terwijl de armen van de chromosomen en de "telomeren" aan hun uiteinden omhoog kropen, het relatief kleine midden - het centromeer - uitzette. Binnen het centromeer breidden bepaalde gebieden van repetitief DNA, alfa-satellieten genaamd, zich dramatisch uit en kwamen tot expressie.

Met al deze informatie konden ze de eerste 3D-modellen maken van hoe chromosomen veranderen in senescente cellen, zei Neretti.

Afgestudeerde student Steven Criscione van Neretti's lab en postdoctoraal fellow Marco De Cecco van John Sedivy's lab leidden samen het werk. Neretti prees ook de bijdragen van twee niet-gegradueerde co-auteurs Benjamin Siranosian en Yue Zhang.

De resultaten volgen op een studie van twee jaar geleden door veel van dezelfde auteurs, waaronder ook Jill Kreiling, assistent-professor (onderzoek) biologie. Ze toonden aan dat een moleculair gevolg van veroudering is dat senescente cellen hun strakke chromatine-greep verliezen op vaak schadelijke DNA-sequenties die transposons worden genoemd, wat leidt tot een grotere replicatie van die "schurken" elementen.

Nu duikt het team dieper in de compartimentschakelaars (tussen A en B) die de regulatie van genen in senescente versus niet-senescente cellen veranderen, zei Neretti. Ze hopen die transities en hun gevolgen beter te begrijpen en te modelleren.

Het nieuwe onderzoek helpt een fundamentele vraag te beantwoorden over welke genetische veranderingen gepaard gaan met veroudering, zei Neretti. Dat antwoord zou uiteindelijk klinische betekenis kunnen krijgen. Nu ze iets weten over de fysieke veranderingen in chromosomen, zouden wetenschappers kunnen zoeken naar de eiwitten die deze veranderingen waarschijnlijk bemiddelen, zei hij. In de toekomst zou het richten op deze eiwitten misschien een manier kunnen zijn om veroudering te vertragen of te versnellen.


Studie beantwoordt 100 jaar oude vraag over hoe chromosomen hun kenmerkende X-vorm krijgen

UMass Medical School Communications

Een multidisciplinair team van de UMass Medical School onder leiding van Job Dekker, PhD, heeft ontrafeld hoe chromosomen tijdens celdeling in hun iconische X-vorm worden verpakt. Het verpakken van het genoom in mitotische chromosomen is van cruciaal belang voor de getrouwe overdracht van DNA van ouder naar dochtercellen. Deze bevindingen werpen nieuw licht op de innerlijke werking van celdeling en kunnen nieuwe doelen bieden voor potentiële kankerbehandelingen.

“Kankercellen zijn experts in delen. Ze doen het goed, en ze doen het heel snel,” zei Dr. Dekker, Howard Hughes Medical Institute-onderzoeker, de Joseph J. Byrne Leerstoel Biomedisch Onderzoek, hoogleraar biochemie en moleculaire farmacologie en mededirecteur van het programma Systeembiologie aan de UMMS. "Veel kankertherapieën profiteren van dit feit en vallen specifiek delende cellen aan in de hoop de kanker te elimineren. Hoe meer we begrijpen over hoe dit proces werkt, hoe meer manieren we hebben om een ​​sleutel in deze machine te gooien en dit proces te verstoren.”

Job Dekker, PhD
video geleverd door het Dekker lab

Omdat chromosomen meer dan 100 jaar geleden voor het eerst werden waargenomen door een microscoop in delende cellen, hebben wetenschappers zich afgevraagd hoe chromosomen hun canonieke "X" -vorm kregen tijdens celdeling, het proces dat 'mitose' wordt genoemd. Meestal alleen gezien als een diffuse massa wanneer de cel zijn dagelijkse gang van zaken doet, worden chromosomen tijdens de celdeling dicht opeengepakt in zeer onderscheidende X-vormige staafjes. Deze strakke verpakking zorgt ervoor dat elk van de twee cellen na de deling een identieke kopie van het genoom ontvangt. Nadat de cellen zich hebben gedeeld, wordt het genoom weer uitgepakt. Hoe dit fundamentele proces van in- en uitpakken gebeurt, heeft wetenschappers lang in verwarring gebracht.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van Dekker, Leonid Mirny, PhD, aan het Massachusetts Institute of Technology, en Bill Earnshaw, PhD, aan de Universiteit van Edinburgh, biochemische en beeldvormende technologieën gebruikt, gecombineerd met geavanceerde wiskundige analyse, om dit te ontrafelen. mysterie. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.

Om beelden van het chromosoom vast te leggen terwijl ze werden verpakt, gebruikte het interdisciplinaire team cellen die allemaal tegelijkertijd het mitoseproces doorlopen, zodat in verschillende stadia van het proces de chromosoomverpakking kon worden bepaald door directe microscopische observaties en een genomische technologie genaamd 'Hi-C', een in 2009 door Dekker ontwikkelde chromosoomconformatie-capturetechniek om de driedimensionale structuur van het genoom in detail te visualiseren. De biochemische techniek bepaalt hoe DNA-segmenten op elkaar inwerken en met elkaar verbonden zijn. Het resultaat, vergelijkbaar met een moleculaire microscoop, kan worden gebruikt om fysieke interacties tussen DNA-segmenten te detecteren. Hoe meer interacties tussen segmenten, hoe nauwer ze in de ruimte met elkaar verbonden zijn, vanwege de manier waarop chromosomen vouwen. De Hi-C-gegevens kunnen vervolgens worden gebruikt om de structuur en organisatie van chromosomen in cellen te analyseren, in kaart te brengen en te modelleren.

Het hele proces van het verpakken van het genoom tijdens mitose duurt slechts tien tot 15 minuten. "We stopten mitose na 1 minuut, 2 minuten, 5 minuten enzovoort", zegt Johan H. Gibcus, PhD, instructeur in biochemie en moleculaire farmacologie bij UMMS. "Met behulp van beeldvorming en Hi-C-gegevens konden we modelleren hoe het chromosoom eruitzag op specifieke tijden terwijl het werd verpakt voor deling. Het combineren van deze modellen was als het samenstellen van een stop-motionanimatie van het genoom zoals het wordt verpakt.”

Dekker en collega's ontdekten dat wanneer cellen zich delen, strengen genetisch materiaal worden gevouwen om een ​​reeks complex gecomprimeerde lussen te vormen. Deze lussen steken uit vanuit een helixvormige centrale as, als treden langs een wenteltrap.

Ten eerste werkt een eiwitcomplex, bekend als condensine II, als een moleculaire machine om het genoom te grijpen en grote lussen van DNA te vormen en deze te verankeren aan een centrale spiraalvormige as die langs het midden van het staafvormige chromosoom loopt. Naarmate deze grote lussen steeds opnieuw worden gevormd, worden de chromosomen korter en breder. Een verwant eiwitcomplex, condensine I, werkt dan om kleinere lussen binnen deze grotere lussen te knijpen, waardoor het genetische materiaal verder kan worden gecomprimeerd ter voorbereiding op celdeling. Als dit gebeurt, worden de lussen spiraalvormig verdeeld rond een centrale spiraalvormige as van het chromosoom, waardoor deze nog korter kan worden.

Deze combinatie van een spiraalvormige as en uitstekende DNA-lussen verpakt de chromosomen met een factor 10.000, waardoor het genetische materiaal zich opvouwt tot de bekende X-vormige staafjes.

"Het mooie van deze bevinding is dat het een aantal eerdere observaties verenigt waarvan velen dachten dat ze niet overeenkwamen met elkaar", zei Dekker. Observationele gegevens ondersteunden het idee dat het DNA in de chromosomen op de een of andere manier was opgerold. Dat kon je onder de microscoop duidelijk zien, legde Dekker uit. Tegelijkertijd ondersteunden biochemische experimenten van Dekker en anderen de theorie dat chromosomen tijdens mitose in lussen waren georganiseerd.

"Mensen wisten niet hoe beide dingen waar konden zijn", zei Dekker. "Wat we hier zien, is dat door zichzelf in lussen rond een spiraalvormig roterende as te organiseren, het genoom keer op keer zeer snel en reproduceerbaar kan worden verpakt."

De volgende stap voor Dekker en collega's is het bestuderen van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het uitpakken van chromosomen nadat de deling met succes heeft plaatsgevonden.


Waarom ontrollen chromosomen zich na celdelingen terug naar chromatine? - Biologie

In de kern van elke menselijke cel zit bijna 1,8 meter DNA, dat is onderverdeeld in 46 afzonderlijke moleculen, één voor elk chromosoom en elk ongeveer 1,5 inch lang. Het verzamelen van al dit materiaal in een microscopisch kleine celkern is een buitengewone prestatie van verpakking. Om DNA te laten functioneren wanneer dat nodig is, kan het niet lukraak in de kern worden gepropt of gewoon als een touwtje worden opgewonden. Bijgevolg wordt DNA tijdens de interfase gecombineerd met eiwitten en georganiseerd in een precieze, compacte structuur, een dichte snaarachtige vezel genaamd chromatine, die tijdens de celdeling nog verder condenseert tot chromosomen.

Elke DNA-streng wikkelt zich rond groepen kleine eiwitmoleculen, histonen genaamd, en vormt een reeks kraalachtige structuren, nucleosomen genaamd, verbonden door de DNA-streng (zoals geïllustreerd in figuur 1). Onder de microscoop heeft niet-gecondenseerd chromatine het uiterlijk van "kralen aan een touwtje". De reeks nucleosomen, die al met een factor zes is samengeperst, wordt vervolgens opgerold tot een nog dichtere structuur die bekend staat als een solenoïde die het DNA met een factor 40 comprimeert. De solenoïdestructuur rolt vervolgens op om een ​​holle buis te vormen. Deze complexe compressie en structurering van DNA heeft verschillende functies. De algehele negatieve lading van het DNA wordt geneutraliseerd door de positieve lading van de histonmoleculen, het DNA neemt veel minder ruimte in beslag en inactief DNA kan op ontoegankelijke locaties worden gevouwen totdat het nodig is.

Er zijn twee basistypen chromatine. Euchromatine is het genetisch actieve type chromatine dat betrokken is bij het transcriberen van RNA om eiwitten te produceren die worden gebruikt in celfunctie en groei. Het overheersende type chromatine dat tijdens interfase in cellen wordt aangetroffen, euchromatine is meer diffuus dan het andere soort chromatine, dat heterochromatine wordt genoemd. Men denkt dat de extra compressie van heterochromatine verschillende eiwitten omvat naast de histonen, en het DNA dat het bevat, wordt verondersteld genetisch inactief te zijn. Heterochromatine is meestal het meest geconcentreerd langs chromosomen in bepaalde delen van de structuren, zoals de centromeren en telomeren. Genen die zich typisch in euchromatine bevinden, kunnen experimenteel tot zwijgen worden gebracht (niet tot expressie worden gebracht) door ze te verplaatsen naar een heterochromatinepositie.

Gedurende het leven van een cel nemen chromatinevezels verschillende vormen aan in de kern. Tijdens de interfase, wanneer de cel zijn normale functies uitvoert, wordt het chromatine door de kern verspreid in wat een wirwar van vezels lijkt te zijn. Dit legt het euchromatine bloot en maakt het beschikbaar voor het transcriptieproces. Wanneer de cel de metafase binnengaat en zich voorbereidt om te delen, verandert het chromatine drastisch. Ten eerste maken alle chromatinestrengen kopieën van zichzelf door het proces van DNA-replicatie. Vervolgens worden ze in nog grotere mate gecomprimeerd terwijl ze een 10.000-voudige verdichting ondergaan tot gespecialiseerde structuren voor reproductie, de chromosomen (zie figuur 2). Terwijl de cel zich deelt om twee cellen te worden, scheiden de chromosomen zich, waardoor elke cel een volledige kopie krijgt van de genetische informatie in het chromatine.

Het aantal chromosomen in de kernen van de cellen van een organisme is een soortspecifieke eigenschap. Menselijke diploïde cellen (die geen gameten zijn) vertonen kenmerkend 46 chromosomen, maar dit aantal kan zo laag zijn als 2, zoals het geval is voor sommige mieren en rondwormen, of meer dan duizend, zoals geïllustreerd door de Indische varen ( Ophioglossum reticulatum ), die 1260 chromosomen heeft. Dienovereenkomstig correleert het aantal chromosomen dat een soort heeft niet met de complexiteit van het organisme.


Mitose kleuring

Celdeling omvat een zeer belangrijk proces genaamd mitosewaarbij de kern een kopie van al zijn DNA maakt, zodat elke nieuwe cel een exacte kopie is van de oudercel en exact hetzelfde aantal chromosomen bevat. De celcyclus heeft vijf fasen, maar mitose (nucleaire) deling vindt plaats in vier stappen: Profase, metafase, anafase en telofase. Een fase genaamd interfase maakt eigenlijk geen deel uit van mitose, maar is de rustfase waarin de cel zich bevindt wanneer deze niet deelt.

1. Interfase. Een cel brengt het grootste deel van zijn tijd door in deze "tussenfase" en voert celactiviteiten uit zoals cellulaire ademhaling, osmose en, voor plantencellen, fotosynthese. Tijdens deze fase wordt het DNA afgewikkeld en genoemd chromatine. Een paar centriolen is aanwezig (maar inactief in het cytoplasma) en de nucleolus is zichtbaar. Op dit moment groeit de cel, repliceert het DNA en groeien organellen ter voorbereiding op celdeling. Kleur de centriolen rood en het kernmembraan geel. Schaduw het chromatine blauw.

2. Profase. Dit is de eerste stap van mitose. De kernmembraan breekt uit elkaar en de chromatine condenseert tot chromosomen. De centriolen vormen een stervormige structuur genaamd de aster en een spindel vormen daartussen. Kleur de aster roze en de spindel groente. In alle overige celfasen zullen deze dezelfde kleur hebben.

Chromosomen hebben de vorm van een X waarbij de ene helft het originele chromosoom is en de andere helft de kopie. Deze twee exemplaren heten chromatiden. Kleur alle chromatiden en chromosomen blauw.

3. Metafase. Tijdens deze fase van mitose liggen de chromosomen in het midden van de cel langs de evenaar. Elk chromosoom hecht zich aan een spindelvezel.

4. Anafase. Tijdens de anafase worden de chromatiden door de spil uit elkaar getrokken en naar tegenoverliggende zijden van de cel verplaatst.

5. Telofase. Nu de chromosomen gescheiden zijn, worden er twee kernen gevormd. De spoelvezels verdwijnen, de chromosomen ontrollen zich en worden weer spaghetti-achtig chromatine, en het kernmembraan verschijnt weer. Cytokinese is waar het cytoplasma zich splitst in twee dochtercellen en gebeurt meestal gelijktijdig met telofase.

Vragen:

1. Wat is de naam voor de &ldquoin tussen&rdquo fase in celdelingen? _________________________
2. In de interfase heeft het DNA de vorm van losse draden die ___________________________ worden genoemd.
3. Tijdens de profase condenseert DNA in X-vormige structuren, genaamd: __________________________.
4. Tijdens de metafase liggen de chromosomen langs de __________________ van de cel.
5. In welke fase trekken de chromosomen uit elkaar? ____________________________
6. Het cytoplasma splitst zich tijdens dit proces in twee dochtercellen: ______________________________.
7. Welke structuur verschijnt weer tijdens telofase? ____________________________________________
8. In welke fase kopieert het DNA zichzelf? ____________________________________
9. Aan welke constructies hecht de spil? ______________________________________
10. In welke fase wordt de spindel gevormd? _______________________________


Kleur de afbeelding volgens de aanwijzingen. Alle structuren in elke fase moeten gekleurd zijn. Label de fasen op de lijnen boven de afbeelding. LABEL elk van de onderstreepte structuren in het diagram.


Waarom ontrollen chromosomen zich na celdelingen terug naar chromatine? - Biologie

NOVA scienceNOW: Epigenetica

Activiteitsoverzicht
De leerlingen maken een model van chromatine en laten daarmee zien hoe chemische tags die aan het chromatine binden, het afwikkelen ervan kunnen beïnvloeden.

leerdoelen
Studenten zullen in staat zijn om:

het verschil tussen genetica en epigenetica uitleggen.

stellen dat de structuur van chromatine DNA en histonen omvat die samen zijn opgerold.

demonstreren hoe chemische tags die aan het chromatine hechten, het chromatine helpen af ​​te wikkelen.

beschrijven hoe chemische tags (d.w.z. een epigenetische factor) een belangrijke rol spelen bij het "lezen" van DNA door enzymen en getranscribeerd in boodschapper-RNA.

  • kopie van de "Epigenetica" studentenhand-out (PDF of HTML)
  • gekleurde permanente marker met fijne punt
  • balpen
  • 3 stukken dunne (d.w.z. kleine diameter) rubberen chirurgische slang, elk 24 inch lang (1/8 inch rubberen bungee-koord kan als vervanging worden gebruikt)
  • 2 kleine bindclips (3/4-inch formaat)
  • verpakkingstape of ducttape, 2 inch breed

Achtergrond
Om studenten de basisprincipes van epigenetica te laten begrijpen, moeten ze inzicht hebben in DNA en de structurele chemie ervan in het chromosoom. Daarom is deze les geschikt voor een biologieles op de middelbare school waarin leerlingen enige kennis hebben gemaakt met de grondbeginselen van DNA en RNA. Omdat het thema van de les echter epigenetica is in plaats van DNA, is het doel van de les dat leerlingen het verschil tussen genetica en epigenetica kunnen uitleggen en de rol kunnen beschrijven die epigenetische factoren spelen bij het "lezen" van DNA door enzymen en getranscribeerd door boodschapper-RNA.

Op het gebied van epigenetica bestuderen wetenschappers hoe chemische tags zich hechten aan DNA of aan de structuren rondom het DNA. Deze chemische tags kunnen genexpressie regelen, genen tot zwijgen brengen of activeren. Omdat deze chemische tags onafhankelijk zijn van de DNA-sequentie zelf, worden ze beschouwd als epigenetische factoren. Epigenetische onderzoekers onderzoeken de rol die deze silencing of activering van genen zou kunnen spelen bij celdifferentiatie, celontwikkeling, ziekte en erfelijkheid.

Epigenetica is een zeer relevant gebied en biedt wetenschappers nieuwe manieren om veel fundamentele vragen over leven, gezondheid en ziekte te onderzoeken. Hoe differentieert een enkele bevruchte eicel zich bijvoorbeeld in meer dan 200 celtypes? Hoe beïnvloeden blootstellingen aan voedingsstoffen, toxines, verontreinigende stoffen en andere omgevingsfactoren de genexpressie? Deze vragen vormen de kern van veel van het huidige geavanceerde onderzoek en technologie op gebieden als gezondheidszorg, geneeskunde, farmacologie, vruchtbaarheid en het beheer van milieuverontreinigende stoffen.

In deze activiteit bouwen leerlingen een model dat laat zien dat DNA is ingesloten in een histonkussen om chromatine te vormen, het basisbestanddeel van een chromosoom. Ze gebruiken het model om een ​​manier aan te tonen waarop methylgroepen aan het chromatine kunnen binden, waardoor het zich kan afwikkelen om het DNA bloot te leggen. De activiteit moet de betekenis van de term verduidelijken epigenetica en suggereren waarom onderzoekers uit veel vakgebieden zo geïnteresseerd zijn om meer te weten te komen over de interactie tussen genetica en epigenetica.

Afhankelijk van hoe bekend uw leerlingen zijn met DNA en RNA, wilt u misschien de structuur van het DNA en de transcriptie- en translatieprocessen herzien. Laat de leerlingen bijvoorbeeld drie feiten opnoemen die ze zich kunnen herinneren over DNA en RNA. Vraag de leerlingen vervolgens om hun feiten te delen en maak een klassenlijst op het bord of op een flip-over. Bespreek ook hoe het oprollen van DNA rond de histon-eiwitten ervoor zorgt dat bijna twee meter aan DNA in een microscopisch kleine celkern past!

Laat zien hoe DNA wordt opgerold tot een dubbele helix. Maak voor de les een set van twee buizen die DNA vertegenwoordigen. Markeer deze buisjes zoals beschreven in stap 1a en 1b op de leerlingenfiche. Plak de uiteinden vast. Nodig twee cursisten uit om je te helpen bij een demonstratie. Laat elke helper een afgeplakt uiteinde van de slang nemen en tegenover elkaar staan. Vraag hen om de buizen in een spiraal te draaien. Wijs erop dat de slang na slechts een paar wendingen een 'dubbele helix' vormt.

Laat zien dat de dubbele helix van DNA zelf in een secundaire spiraal is gerangschikt. Laat de leerlingen verder draaien. De slang begint te knopen. Laat de helpers lichtjes trekken, met een lichte uitwendige druk terwijl ze de slang nog steeds langzaam draaien. De knopen moeten beginnen te organiseren in een dikke spiraal. De structuur die u nastreeft is een nette, strakke, dikke spiraal. Zorg ervoor dat de klas begrijpt wat het model laat zien: (1) de dubbele DNA-helix en (2) de dubbele helix zelf is in een secundaire spiraal gedraaid.

Voeg een histonstreng toe en draai de drie buizen in een secundaire spiraal. Rol het DNA-model uit en voeg het derde stuk slang toe. (Het maakt niet uit waar de derde buis is ten opzichte van de andere, als hij maar netjes naast de andere twee zit.) Plak de drie buizen aan de uiteinden aan elkaar vast. Vertel de leerlingen dat chromosomen uit meer bestaan ​​dan alleen DNA: het DNA is opgerold rond eiwitten die histonen worden genoemd. Samen vormen de histoneiwitten en het DNA het chromatine. Chromatine vormt op zijn beurt het chromosoom. Eenmaal aan elkaar geplakt, vertegenwoordigen de drie lengtes van de buis een deel van chromatine. Laat de helpers het draaien herhalen. Nodig observaties van de klas uit over het uiterlijk van de drie buizen. Zorg ervoor dat de klas begrijpt wat het model laat zien: (1) chromatine is gemaakt van DNA en histonen en (2) het chromatine is in een secundaire spiraal gedraaid. (Vertel de leerlingen dat in dit model de derde chirurgische buis [d.w.z. die met stippen of strepen] de histoneiwitten van chromatine vertegenwoordigt. Net als bij de twee buizen, zullen de drie buizen ook in de tweede spiraal van knopen draaien. Wijs erop hoe het opnemen van de derde buis en het draaien ervoor zorgt dat de volgorde van letters [d.w.z. de DNA-sequentie van nucleotiden] moeilijk leesbaar is.)

Bespreek hoe het oprollen het DNA moeilijk maakt om te lezen, maar andere voordelen biedt. Leg uit dat het secundaire niveau van oprollen het chromatine mogelijk maakt om dicht opeengepakt te zijn, waardoor twee meter DNA in de celkern past. Kijk of studenten een groot probleem kunnen identificeren met deze regeling. Vraag: Als je lichaam een ​​eiwit moet maken, hoe kan dan de genetische instructie die in deze spoel van chromatine is verborgen, "gelezen" worden? Noteer de ideeën op het bord. (Wanneer opgerold, kan de DNA-sequentie van nucleotiden niet gemakkelijk worden gelezen. Bijgevolg zijn de instructies voor eiwitsynthese niet beschikbaar en kunnen enzymen het DNA niet lezen om het transcriptieproces te starten. Wanneer het chromatine in zijn strak opgerolde staat is, zijn de chromosomen inactief - er kan geen transcriptie [of eiwitsynthese] plaatsvinden.)

Laat de leerlingen hun eigen modellen maken. Verdeel je klas in groepjes van drie of vier studenten en deel de materialen uit. Laat elke groep de stappen op de studentenhand-out volgen, waarin ze hun eigen chromatinemodel maken en dit gebruiken om te laten zien hoe chemische tags (d.w.z. epigenetische factoren) segmenten van het chromatine kunnen ontrollen. Laat ze vervolgens de vragen aan het einde van de leerlingenopdracht beantwoorden.

Bekijk hoe epigenetische factoren het chromatine afwikkelen. Bespreek nadat de cursisten klaar zijn de vragen van de opdracht en de antwoorden van de cursisten.

Vragen over opdrachten voor studenten

Waarom kan het voor enzymen moeilijk zijn om DNA-basenparen in een opgerold nucleosoom te "lezen"?

In het nucleosoom wordt de DNA-streng op de histon-eiwitten gewikkeld zoals een draad op een spoel wordt gewikkeld. Bovendien zijn de nucleosomen zelf opgerold. Al het opwinden, draaien en oprollen maakt het voor de transcriptie-enzymen in wezen onmogelijk om een ​​volledige reeks basenparen (d.w.z. een gen) te lezen.

Leg in je eigen woorden uit hoe methyltags (weergegeven door de binderclips) chromatine helpen ontrollen om de basenparen in een nucleosoom te onthullen.

Wanneer methylgroepen zich hechten aan bepaalde plaatsen op het strak opgerolde chromatine, ontrollen specifieke delen van het chromatine (d.w.z. de nucleosomen) zich, waardoor segmenten van basenparen (d.w.z. de genen) worden onthuld. Zodra de genen zijn onthuld, is het mogelijk om boodschapper-RNA te transcriberen.

Hoe zijn methylgroepen voorbeelden van een epigenetische factor?

Methylgroepen ontstaan ​​buiten de kern. Ze gaan door het kernmembraan en hechten aan activeringsplaatsen op de histonen in het chromatine. Het chromatine dat door deze gemethyleerde activeringsplaatsen wordt aangetast, ontrafelt, waardoor transcriptie van de genen in dit gedeelte van het chromatine mogelijk wordt.

Wat zou er gebeuren als methylgroepen voor altijd aan het nucleosoom gehecht zouden blijven en het continu open zouden houden?

Er kan overproductie zijn van een bepaalde verbinding die door dat stuk DNA wordt gesynthetiseerd. Een dergelijke overproductie kan verband houden met kankerachtige processen.

Noem enkele manieren waarop een nucleosoom dat vastzit in de modus "continu lezen" kan losraken.

Verwijder de methylgroepen. Als de groepen niet kunnen worden verwijderd, verwijdert u het segment met de groepen (d.w.z. de strip met de twee clips eraan bevestigd).

Noem enkele sterke en zwakke punten van dit activiteitsmodel van het DNA'8211chromatine-complex.

Zwakke punten: 1) De relatieve afmetingen van de moleculen worden niet nauwkeurig weergegeven door de rubberen slang. In het bijzonder is de DNA-streng erg fijn en smal in vergelijking met de veel grotere histon-eiwitkernmoleculen. 2) In het echte leven kronkelen de stoffen in patronen die verschillen van die van de modelbuisjes. Het DNA is bijna als een fijne dubbele draad die om de veel omvangrijkere histon-eiwitten is gewikkeld. Deze histoneiwitten lijken op hun beurt op spoelen die met elkaar verbonden zijn.

Sterke punten: 1) Rubberen buizen bieden een bruikbare weergave van de componenten van chromatine en hun respectieve driedimensionale relatie met elkaar. 2) Het secundaire spiraalpatroon creëert een redelijke weergave van het nucleosoom. 3) Beide kenmerken helpen om te laten zien hoe meer dan twee meter DNA in de kern van een microscopische cel kan passen.

Waarom kan blootstelling op hoog niveau in het vroege leven aan factoren die leiden tot de accumulatie van methylgroepen veel later in het leven gevolgen hebben voor de gezondheid?

De opeenhoping van chemische tags, zoals methylgroepen, die aan de histonen of DNA kunnen kleven, kan de cellulaire reparatiemechanismen beïnvloeden, waardoor ze afbreken of minder effectief worden.

NOVA wetenschap NU
www.pbs.org/nova/sciencenow/3411/02.html
Biedt epigenetica-gerelateerde bronnen, waaronder een gestreamde versie van de show, een audiodiavoorstelling over hoe het epigenoom verschillen produceert, en een Ask the Expert-gebied waar sitebezoekers onderzoeker Randy Jirtle vragen kunnen stellen over epigenetica.

Perspectieven voor de gezondheid van het milieu
www.ehponline.org/members/2006/114-3/focus.html
Geeft een goed geschreven overzicht, met een duidelijk diagram, van het verband tussen epigenetische factoren en ziekte bij de mens.

Epigenome Network of Excellence
epigenome-noe.net/aboutus/epigenetics.php
Biedt een kort maar informatief overzicht van het gebied van epigenetica.

Epigenome Network of Excellence
epigenome.eu/nl/1,1,0
Geeft een kort, duidelijk overzicht van epigenetica, met citaten van verschillende onderzoekers, gevolgd door een reeks toegankelijke beschrijvingen van verschillende onderwerpen in epigenetica.

De functies van chromatine-modificaties
www.hhmi.org/research/investigators/zhang.html
Legt uit hoe epigenetisch-gemedieerde dynamische veranderingen in de chromatinestructuur de genexpressie, de betrokkenheid van de cellijn en de ontwikkeling van kanker beïnvloeden.

Johns Hopkins Epigenetics Center in het Institute for Basic Biomedical Sciences
www.hopkinsmedicine.org/press/2002/November/epigenetics.htm
Biedt een basisinleiding met een overzicht van epigenetica gepresenteerd in lekentermen.

Biologie: concepten en verbanden
by Neil Campbell, Jane Reece, Martha Taylor, and Eric Simon. Pearson/Benjamin Cummings, 2006.
Provides overview of genetics, DNA, RNA, and other related basic information written at level appropriate for high school.

Epigenetica
by C. David Allis, Thomas Jenuwein, Danny Reinberg, and Marie-Laure Caparros. Cold Spring Harbor Press. 2007.
Compiles an up-to-date technical scientific collection of papers with useful overviews.

"A Cell's Second Act" by Richard Saltus. HHMI Bulletin, 19 (1), February, 2006.
www.hhmi.org/bulletin/feb2006/features/cell2.html
Describes researchers' efforts to understand nuclear reprogramming to revert adult cells to medically useful embryonic stem cells.

"DNA Is Not Destiny" by Ethan Watters
discovermagazine.com/2006/nov/
The new science of epigenetics rewrites the rules of disease, heredity, and identity.

"Epigenetics: A historical overview" by Robin Holliday. Epigenetica, 1:2, 76󈞼, 2006.
cnru.pbrc.edu/pdf/history_of_epigenetics.pdf
Offers a brief history of the field of epigenetics.

"Nurture Takes the Spotlight: Decoding the environment's role in development and disease" by Christen Brownlee. Wetenschapsnieuws, 169 (25), June 2006.
www.sciencenews.org/articles/20060624/bob8ref.asp
Reviews current research and gives an accessible overview of epigenetics.

The "Epigenetics" activity aligns with the following National Science Education Standards (see books.nap.edu/html/nses).

Grades 9-12
Science Standard C

Levenswetenschappen

Science Standard E
Science and Technology

Science Standard F
Science in Personal and Social Perspectives

Classroom Activity Author

Developed by John Glyphis, Ph.D., MPA. Glyphis is a biologist who consults on and writes about science in education and public policy.

NOVA scienceNOW: Epigenetics

Original broadcast:
July 24, 2007

Explore More Online
Epigenetics research

Learn about cutting-edge research where scientists investigate mechanisms controlling gene expression that are independent of the DNA sequence itself. Visit www.hhmi.org/research/
investigators/zhang_bio.html.

Base Pairs: The pairs of nucleotides adenine-thymine and cytosine-guanine that join by hydrogen bonding to form DNA's double helix.

Chromatin: Chromatin is a molecule consisting of DNA and histones. It is the primary constituent of a chromosome. When a chromosome is uncoiled, it is referred to as chromatin.

Chromosome: A tightly coiled macromolecule of DNA and its associated proteins.

Deoxyribonucleic acid (DNA): A double-stranded chain of nucleotides. It carries a cell's genetic information and is found in the cells of all living organisms. It is capable of self-replication and the synthesis of RNA.

Epigenetica: The study of inherited characteristics that lie outside of the genome in organisms (from the word epi, meaning "outside" or "above," originally from the Greek).

Gen: The basic unit of inheritance. Genes usually consist of two parts. The first is a sequence of nucleotides that transcribe onto RNA. The second is sequences of DNA that control the transcription process.

Genetica: Genetics is the study of DNA-based inherited characteristics in organisms.

Histone: A protein that is found in six different forms. Four of these types of histones form a core around which the double-helix DNA strand winds to form chromatin. This spooling enables the DNA to be compacted to 1/50,000 of its length, enabling it to fit inside the nucleus of a cell.

Nucleosome: The fundamental unit of chromatin. It is composed of two copies of each of the four core histones, around which 146 base pairs of DNA are wrapped.

Nucleotide: A chemical compound consisting of a sugar, one phosphate group, and one of four nitrogenous bases: adenine, cytosine, guanine, and thymine.

Ribonucleic acid (RNA): A single-stranded chain of nucleotides. One form (messenger RNA) acts as a messenger between DNA and the cell's protein synthesis machinery.

Transcriptie: The enzymatic copying process by which DNA produces a complementary copy of RNA.

Translation: The process by which a complete messenger RNA molecule serves as a template for the biosynthesis of a specific protein.

NOVA scienceNOW is a trademark of WGBH. © 2007 WGBH Educational Foundation. Alle rechten voorbehouden.

Funding for NOVA is provided by the DOW Chemical Company, the Corporation for Public Broadcasting and public television viewers.

Major funding for NOVA scienceNOW is provided by the National Science Foundation and the Howard Hughes Medical Institute. Additional funding is provided by the Alfred P. Sloan Foundation.

Dit materiaal is gebaseerd op werk dat wordt ondersteund door de National Science Foundation onder Grant No. 0229297. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen die in dit materiaal worden uitgedrukt, zijn die van de auteur(s) en weerspiegelen niet noodzakelijk de standpunten van de National Science. Fundering.


CELL DIVISION: BINARY FISSION AND MITOSIS

Despite differences between prokaryotes and eukaryotes, there are several common features in their cell division processes. Replication of the DNA must occur. Segregation of the "original" and its "replica" follow. Cytokinesis ends the cell division process. Whether the cell was eukaryotic or prokaryotic, these basic events must occur.

Cytokinesis is the process where one cell splits off from its sister cell. It usually occurs after cell division. The Cell Cycle is the sequence of growth, DNA replication, growth and cell division that all cells go through. Beginning after cytokinesis, the daughter cells are quite small and low on ATP. They acquire ATP and increase in size during the G1 phase of Interphase. Most cells are observed in Interphase, the longest part of the cell cycle. After acquiring sufficient size and ATP, the cells then undergo DNA Synthesis (replication of the original DNA molecules, making identical copies, one "new molecule" eventually destined for each new cell) which occurs during the S phase. Since the formation of new DNA is an energy draining process, the cell undergoes a second growth and energy acquisition stage, the G2 phase. The energy acquired during G2 is used in cell division (in this case mitosis).

Afbeelding van W.H. Freeman en Sinauer Associates, gebruikt met toestemming.

Regulation of the cell cycle is accomplished in several ways. Some cells divide rapidly (beans, for example take 19 hours for the complete cycle red blood cells must divide at a rate of 2.5 million per second). Others, such as nerve cells, lose their capability to divide once they reach maturity. Some cells, such as liver cells, retain but do not normally utilize their capacity for division. Liver cells will divide if part of the liver is removed. The division continues until the liver reaches its former size.

Cancer cells are those which undergo a series of rapid divisions such that the daughter cells divide before they have reached "functional maturity". Environmental factors such as changes in temperature and pH, and declining nutrient levels lead to declining cell division rates. When cells stop dividing, they stop usually at a point late in the G1 phase, the R point (for restriction).

Prokaryotic Cell Division | Terug naar boven

Prokaryotes are much simpler in their organization than are eukaryotes. There are a great many more organelles in eukaryotes, also more chromosomes. The usual method of prokaryote cell division is termed binary fission . The prokaryotic chromosome is a single DNA molecule that first replicates, then attaches each copy to a different part of the cell membrane. When the cell begins to pull apart, the replicate and original chromosomes are separated. Following cell splitting ( cytokinesis ), there are then two cells of identical genetic composition (except for the rare chance of a spontaneous mutation).

The prokaryote chromosome is much easier to manipulate than the eukaryotic one. We thus know much more about the location of genes and their control in prokaryotes.

One consequence of this asexual method of reproduction is that all organisms in a colony are genetic equals. When treating a bacterial disease, a drug that kills one bacteria (of a specific type) will also kill all other members of that clone (colony) it comes in contact with.

Rod-Shaped Bacterium, E. coli , dividing by binary fission (TEM x92,750). Deze afbeelding is copyright Dennis Kunkel http://www.pbrc.hawaii.edu/

Eukaryotic Cell Division | Terug naar boven

Due to their increased numbers of chromosomes, organelles and complexity, eukaryote cell division is more complicated, although the same processes of replication, segregation, and cytokinesis still occur.

Mitosis | Terug naar boven

Mitosis is the process of forming (generally) identical daughter cells by replicating and dividing the original chromosomes, in effect making a cellular xerox. Commonly the two processes of cell division are confused. Mitosis deals only with the segregation of the chromosomes and organelles into daughter cells.

Eukaryotic chromosomes occur in the cell in greater numbers than prokaryotic chromosomes. The condensed replicated chromosomes have several points of interest. The kinetochore is the point where microtubules of the spindle apparatus attach. Replicated chromosomes consist of two molecules of DNA (along with their associated histone proteins ) known as chromatids . The area where both chromatids are in contact with each other is known as the centromere the kinetochores are on the outer sides of the centromere. Remember that chromosomes are condensed chromatin (DNA plus histone proteins).

Afbeelding van W.H. Freeman en Sinauer Associates, gebruikt met toestemming.

During mitosis replicated chromosomes are positioned near the middle of the cytoplasm and then segregated so that each daughter cell receives a copy of the original DNA (if you start with 46 in the parent cell, you should end up with 46 chromosomes in each daughter cell). To do this cells utilize microtubules (referred to as the spindle apparatus ) to "pull" chromosomes into each "cell". The microtubules have the 9+2 arrangement discussed earlier. Animal cells (except for a group of worms known as nematodes) have a centriole . Plants and most other eukaryotic organisms lack centrioles. Prokaryotes, of course, lack spindles and centrioles the cell membrane assumes this function when it pulls the by-then replicated chromosomes apart during binary fission. Cells that contain centrioles also have a series of smaller microtubules, the aster , that extend from the centrioles to the cell membrane. The aster is thought to serve as a brace for the functioning of the spindle fibers.

Afbeelding van W.H. Freeman en Sinauer Associates, gebruikt met toestemming.

The phases of mitosis are sometimes difficult to separate. Remember that the process is a dynamic one, not the static process displayed of necessity in a textbook.

Prophase | Terug naar boven

Prophase is the first stage of mitosis proper. Chromatin condenses (remember that chromatin/DNA replicate during Interphase), the nuclear envelope dissolves, centrioles (if present) divide and migrate, kinetochores and kinetochore fibers form, and the spindle forms.

Pea Plant Nuclear DNA, from Vicea faba (TEM x105,000). Deze afbeelding is copyright Dennis Kunkel http://www.pbrc.hawaii.edu/

Afbeelding van W.H. Freeman en Sinauer Associates, gebruikt met toestemming.

Metaphase | Terug naar boven

Metaphase follows Prophase. The chromosomes (which at this point consist of chromatids held together by a centromere) migrate to the equator of the spindle, where the spindles attach to the kinetochore fibers.

Anaphase | Terug naar boven

Anaphase begins with the separation of the centromeres, and the pulling of chromosomes (we call them chromosomes after the centromeres are separated) to opposite poles of the spindle.

Afbeelding van W.H. Freeman en Sinauer Associates, gebruikt met toestemming.

Telophase | Terug naar boven

Telophase is when the chromosomes reach the poles of their respective spindles, the nuclear envelope reforms, chromosomes uncoil into chromatin form, and the nucleolus (which had disappeared during Prophase) reform. Where there was one cell there are now two smaller cells each with exactly the same genetic information. These cells may then develop into different adult forms via the processes of development.

Afbeelding van W.H. Freeman en Sinauer Associates, gebruikt met toestemming.

Cytokinesis | Terug naar boven

Cytokinesis is the process of splitting the daughter cells apart. Whereas mitosis is the division of the nucleus, cytokinesis is the splitting of the cytoplasm and allocation of the golgi, plastids and cytoplasm into each new cell.


Stages of Meiosis: Daughter Cells

The final result of meiosis is the production of four daughter cells. These cells have one half the number of chromosomes as the original cell. Only sex cells are produced by meiosis. Other cell types are produced by mitosis. When sex cells unite during fertilization, these haploid cells become a diploid cell. Diploid cells have the full complement of homologous chromosomes.


Bekijk de video: mitosis 3d animation Phases of mitosiscell division (December 2021).