Como os genomas são organizados dentro das células e como a arquitetura 3D de um genoma influencia as funções celulares são questões importantes na biologia. Um DNA genômico bacteriano reside no interior das células em uma forma altamente condensada e funcionalmente organizada, chamada nucleóide (estrutura semelhante a um núcleo sem membrana nuclear). O cromossomo ou nucleóide de Escherichia coli é composto do DNA genômico, RNA e proteína. O nucleóide se forma por condensação e arranjo funcional de um único DNA cromossômico com a ajuda de proteínas arquitetônicas cromossômicas e moléculas de RNA, bem como superenrolamento de DNA.
Embora uma estrutura de alta resolução de um nucleóide bacteriano ainda esteja por vir, cinco décadas de pesquisa estabeleceram as seguintes características salientes do nucleóide de E. coli elaboradas abaixo: 1) O DNA cromossômico é em média uma molécula superenrolada negativamente que é dobrada como loops plectonêmicos, que são confinados em muitos domínios topológicos independentes devido a barreiras de difusão superenroladas; 2) Os loops se organizam espacialmente em regiões de tamanho de megabase chamadas macrodomínios, que são definidas por interações físicas mais frequentes entre sítios de DNA dentro do mesmo macrodomínio do que entre diferentes macrodomínios; 3) O DNA condensado e espacialmente organizado assume a forma de um elipsóide helicoidal confinado radialmente na célula; e 4) O DNA no cromossomo parece ter uma estrutura 3-D dependente da condição que está ligada à expressão do gene, de modo que a arquitetura do nucleóide e a transcrição do gene são fortemente interdependentes, influenciando-se reciprocamente. Avanços atuais da microscopia de alta resolução,
E. coli Strains
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Em muitas bactérias, o cromossomo é uma única molécula de DNA de fita dupla covalentemente fechada (circular) que codifica a informação genética em uma forma haplóide. O tamanho do DNA varia de 500.000 a vários milhões de pares de bases (pb), codificando de 500 a vários milhares de genes, dependendo do organismo. O DNA cromossômico está presente nas células em uma forma altamente condensada e organizada chamada nucleóide (semelhante ao núcleo), que não é envolto por uma membrana nuclear como nas células eucarióticas. O nucleóide isolado contém 80% de DNA, 10% de proteína e 10% de RNA por peso [1, 2]. Nesta exposição, revisamos nosso conhecimento atual sobre (i) como o DNA cromossômico se torna o nucleóide, (ii) os fatores envolvidos nisso, (iii) o que se sabe sobre sua estrutura e (iv) como alguns dos aspectos estruturais do DNA influenciam expressão genetica, usando a bactéria Gram-negativa Escherichia coli como sistema modelo. Também destacamos alguns problemas relacionados que precisam ser resolvidos. Esta exposição é uma extensão de revisões anteriores sobre o assunto [3, 4].
Existem dois aspectos essenciais da formação de nucleóides; condensação de um grande DNA em um pequeno espaço celular e organização funcional do DNA em uma forma tridimensional [5, 6]. O cromossomo circular haplóide em E. coli consiste em ~ 4,6 x 106 bp. Se o DNA está relaxado na forma B, ele teria uma circunferência de ~ 1,5 milímetros (0,332 nm x 4,6 x 106) (Fig 1A). No entanto, uma grande molécula de DNA, como o DNA cromossômico de E. coli, não permanece uma molécula rígida em uma suspensão. O movimento browniano irá gerar curvatura e dobras no DNA. O comprimento máximo até o qual um DNA de dupla hélice permanece reto ao resistir à curvatura imposta pelo movimento browniano é de ~ 50 nm ou 150 bp, que é chamado de comprimento de persistência. Assim, o DNA puro torna-se substancialmente condensado sem quaisquer fatores adicionais; em equilíbrio térmico, ele assume uma forma de bobina aleatória. A bobina aleatória de DNA cromossômico de E. coli (Fig 1B) ocuparia um volume (4/3 π r3) de ~ 523 μm3, calculado a partir do raio de giração (Rg = (√N a) / √6) onde a é o comprimento Kuhn (2 x comprimento de persistência) e N é o número de segmentos de comprimento Kuhn no DNA (comprimento total do DNA dividido por a). Embora o DNA já esteja condensado na forma de bobina aleatória, ele ainda não pode assumir o volume do nucleóide, que é menor que um mícron (Fig. 1C). Assim, a propriedade inerente do DNA não é suficiente: fatores adicionais devem ajudar a condensar o DNA ainda mais na ordem de ~ 103 (volume da bobina aleatória dividido pelo volume do nucleóide). O segundo aspecto essencial da formação de nucleóides é o arranjo funcional do DNA. O DNA cromossômico não é apenas condensado, mas também organizado funcionalmente de forma compatível com os processos de transação do DNA, como replicação, recombinação, segregação e transcrição (Fig. 1C). Quase cinco décadas de pesquisas iniciadas em 1971 [1], mostraram que a forma final do nucleóide surge de uma organização hierárquica do DNA. Na escala menor (1 kb ou menos), as proteínas arquitetônicas do DNA associadas ao nucleóide condensam e organizam o DNA dobrando, enrolando, criando uma ponte ou envolvendo o DNA. Em uma escala maior (10 kb ou maior), o DNA forma alças plectonêmicas, uma forma trançada de DNA induzida por superenrolamento. Na escala da megabase, os loops plectonêmicos se aglutinam em seis domínios espacialmente organizados (macrodomínios), que são definidos por interações físicas mais freqüentes entre os sítios de DNA dentro do mesmo macrodomínio do que entre diferentes macrodomínios [7]. Conexões DNA-DNA de longo e curto alcance formadas dentro e entre os macrodomínios contribuem para a condensação e a organização funcional. Finalmente, o nucleóide é um elipsóide helicoidal com regiões de DNA altamente condensado no eixo longitudinal [8-10]. Discutimos essas características organizacionais do nucleóide e sua base molecular abaixo.
