Funkcje, skład i struktura nukleosomów



The nukleosom jest podstawową jednostką pakowania DNA w organizmach eukariotycznych. Jest to zatem najmniejszy element kompresji chromatyny.

Nukleosom jest skonstruowany jako oktamer białek zwanych histonami lub strukturą w kształcie bębna, na której jest nawinięte około 140 nt DNA, dając prawie dwa pełne zakręty.

Dodatkowo uważa się, że dodatkowe 40-80 nt DNA jest częścią nukleosomu i jest to frakcja DNA, która umożliwia fizyczną ciągłość między jednym nukleosomem a innym w bardziej złożonych strukturach chromatyny (takich jak 30 nm włókno chromatynowe).

Kod histonowy był jednym z pierwszych epigenetycznych elementów kontrolnych najlepiej zrozumiałych molekularnie.

Indeks

  • 1 Funkcje
  • 2 Skład i struktura
  • 3 Zagęszczanie chromatyny
  • 4 Kod histonów i ekspresji genów
  • 5 Euchromatyna a heterochromatyna
  • 6 Inne funkcje
  • 7 referencji

Funkcje

Nukleosomy umożliwiają:

  • Pakowanie DNA, aby zrobić miejsce dla niego w ograniczonej przestrzeni jądra.
  • Określ podział między chromatyną, która jest wyrażana (euchromatyna) i cichą chromatyną (heterochromatyna).
  • Zorganizuj całą chromatynę zarówno przestrzennie, jak i funkcjonalnie w jądrze.
  • Reprezentują substrat modyfikacji kowalencyjnych, które określają ekspresję i poziom ekspresji genów kodujących białka poprzez tak zwany kod histonowy.

Skład i struktura

W najbardziej podstawowym sensie nukleosomy składają się z DNA i białek. DNA może być praktycznie dowolnym dwuzakresowym DNA obecnym w jądrze komórki eukariotycznej, podczas gdy białka nukleosomalne należą do zestawu białek zwanych histonami..

Histony są białkami o niewielkich rozmiarach i wysokim ładunku podstawowych reszt aminokwasowych; pozwala to przeciwdziałać wysokiemu ujemnemu ładunkowi DNA i ustanowić wydajną fizyczną interakcję między dwiema cząsteczkami bez osiągania sztywności kowalencyjnego wiązania chemicznego.

Histony tworzą oktamer jako bęben z dwiema kopiami lub monomerami każdego z histonów H2A, H2B, H3 i H4. DNA daje prawie dwa pełne zakręty po bokach oktameru, a następnie kontynuuje frakcję łącznika DNA, który łączy się z histonem H1, aby powrócić, aby dać dwa pełne obroty w innym oktamerze histonowym.

Zestaw oktamerów, powiązany DNA i odpowiadający mu łącznik DNA jest nukleosomem.

Zagęszczanie chromatyny

Genomowy DNA składa się z niezwykle długich cząsteczek (więcej niż jeden metr w przypadku człowieka, biorąc pod uwagę wszystkie jego chromosomy), które muszą być zagęszczone i zorganizowane w niezwykle małym jądrze.

Pierwszy etap tego zagęszczania przeprowadza się przez tworzenie nukleosomów. Tylko w tym etapie DNA jest zagęszczane około 75 razy.

Powoduje to powstanie liniowego włókna, z którego zbudowane są kolejne poziomy zagęszczenia chromatyny: 30 nm włókna, pętle i pętle pętli.

Gdy komórka dzieli się przez mitozę lub mejozę, ostatecznym stopniem zagęszczenia jest sam chromosom mitotyczny lub mejotyczny..

Kod histonowy i ekspresja genów

Fakt, że oktamery histonów i DNA oddziałują elektrostatycznie częściowo wyjaśniają ich skuteczne połączenie, bez utraty płynności wymaganej do wytworzenia nukleosomów dynamicznych elementów zagęszczania i rozkładu chromatyny.

Ale jest jeszcze bardziej zaskakujący element interakcji: N-końcowe końce histonów są odsłonięte poza wnętrzem oktameru, bardziej zwarte i obojętne.

Te skrajności nie tylko fizycznie oddziałują z DNA, ale także przechodzą szereg modyfikacji kowalencyjnych, od których zależy stopień zagęszczenia chromatyny i ekspresja związanego DNA.

Zbiór modyfikacji kowalencyjnych, pod względem rodzaju i liczby, jest znany łącznie jako kod histonowy. Te modyfikacje obejmują fosforylację, metylację, acetylację, ubikwitynację i sumoilację reszt argininy i lizyny na N-końcach histonów.

Każda zmiana, w połączeniu z innymi w tej samej cząsteczce lub w resztach innych histonów, szczególnie histonów H3, określi ekspresję związanego DNA, a także stopień zagęszczenia chromatyny..

Zasadniczo zaobserwowano, na przykład, że hipermetylowane i hipoacetylowane histony określają, że związany DNA nie jest wyrażany i że ta chromatyna jest obecna w bardziej zwartym stanie (heterochromatycznym, a zatem nieaktywnym).

Natomiast euchromatyczny DNA (mniej zwarty i genetycznie aktywny) jest związany z chromatyną, której histony są hiperacetylowane i hipometylowane.

Echromatyna a heterochromatyna

Widzieliśmy już, że status kowalencyjnej modyfikacji histonów może determinować stopień ekspresji i zagęszczenia lokalnej chromatyny. Na poziomie globalnym, zagęszczanie chromatyny jest również regulowane przez kowalencyjne modyfikacje histonów w nukleosomach.

Wykazano na przykład, że konstytutywna heterochromatyna (która nigdy nie jest wyrażana i jest gęsto upakowana) ma tendencję do lokalizowania się w sąsiedztwie arkusza jądrowego, pozostawiając pory jądrowe wolne.

Z drugiej strony konstytutywna euchromatyna (która jest zawsze wyrażana jako ta, która obejmuje geny utrzymania komórek i znajduje się w obszarach luźnej chromatyny), robi to w dużych pętlach, które eksponują DNA, który ma zostać przepisany na maszynę transkrypcyjną.

Inne regiony genomowego DNA oscylują między tymi dwoma stanami w zależności od czasu rozwoju organizmu, warunków wzrostu, tożsamości komórek itp..

Inne funkcje

Aby zachować zgodność z planem rozwoju, ekspresji i utrzymania komórek, genomy organizmów eukariotycznych muszą precyzyjnie regulować, kiedy iw jaki sposób ich potencjał genetyczny powinien się manifestować.

Począwszy od informacji przechowywanych w ich genach, znajdują się one w jądrze w określonych regionach, które określają ich stan transkrypcji.

Możemy zatem powiedzieć, że inną podstawową rolą nukleosomów, poprzez zmiany chromatyny, które pomagają zdefiniować, jest organizacja lub architektura jądra, które je przyjmuje..

Architektura ta jest dziedziczona i zachowana filogenetycznie dzięki istnieniu tych modułowych elementów opakowania informacyjnego.

Referencje

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6th Wydanie). W. W. Norton & Company, Nowy Jork, NY, USA.
  2. Brooker, R. J. (2017). Genetyka: analiza i zasady. McGraw-Hill Higher Education, Nowy Jork, NY, USA.
  3. Cosgrove, M. S., Boeke, J. D., Wolberger, C. (2004). Regulowana ruchliwość nukleosomów i kod histonowy. Nature Structural & Molecular Biology, 11: 1037-43.
  4. Goodenough, U. W. (1984) Genetics. W. B. Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
  5. Griffiths, A.J.F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Wprowadzenie do analizy genetycznej (11th red.). Nowy Jork: W. H. Freeman, Nowy Jork, NY, USA.