NUKLEOSOM: FUNKCJE, SKŁAD I STRUKTURA - BIOLOGIA - 2026

Nukleosom jest podstawową jednostką pakowania DNA w organizmach eukariotycznych. Jest to zatem najmniejszy element kompresyjny dla chromatyny.

Nukleosom jest zbudowany jako oktamer białek zwanych histonami lub strukturę w kształcie bębna, na którą nawinięto około 140 nt DNA, wykonując prawie dwa pełne obroty.

Struktura nukleosomu

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 drugim w bardziej złożonych strukturach chromatyny (takich jak włókno chromatynowe 30 nm).

Kod histonowy był jednym z pierwszych molekularnie najlepiej poznanych elementów kontroli epigenetycznej.

cechy

Nukleosomy pozwalają:

• Pakowanie DNA tak, aby pasowało do ograniczonej przestrzeni jądra.
• Określają podział między wyrażaną chromatyną (euchromatyną) a cichą chromatyną (heterochromatyną).
• Organizują całą chromatynę zarówno przestrzennie, jak i funkcjonalnie w jądrze.
• Stanowią one substrat modyfikacji kowalencyjnych, które determinują 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 dwupasmowym DNA obecnym w jądrze komórki eukariotycznej, podczas gdy wszystkie białka nukleosomalne należą do zestawu białek zwanych histonami.

Histony to małe białka z dużą zawartością reszt aminokwasowych zasadowych; Umożliwia to przeciwdziałanie wysokiemu ujemnemu ładunkowi DNA i ustanowienie wydajnej fizycznej interakcji między dwiema cząsteczkami bez osiągania sztywności kowalencyjnego wiązania chemicznego.

Histony tworzą podobny do bębna oktamer z dwiema kopiami lub monomerami każdego z histonów H2A, H2B, H3 i H4. DNA wykonuje prawie dwa pełne obroty po bokach oktameru, a następnie kontynuuje z ułamkiem DNA łącznika, który łączy się z histonem H1, aby powrócić i dać dwa pełne obroty w innym oktamerze histonu.

Zestaw oktameru, powiązany DNA i odpowiadający mu DNA łącznikowy to nukleosom.

Zagęszczanie chromatyny

DNA genomowe składa się z niezwykle długich cząsteczek (ponad metr w przypadku ludzi, biorąc pod uwagę wszystkie ich chromosomy), które muszą być zagęszczone i zorganizowane w niezwykle małym jądrze.

Pierwszy krok w tym zagęszczaniu odbywa się poprzez tworzenie nukleosomów. Tylko na tym etapie DNA jest zagęszczane około 75 razy.

Daje to początek włóknu liniowemu, z którego zbudowane są kolejne poziomy zagęszczenia chromatyny: włókno 30 nm, pętle i pętle pętli.

Kiedy komórka dzieli się w wyniku mitozy lub mejozy, ostatecznym stopniem zagęszczenia jest odpowiednio sam chromosom mitotyczny lub mejotyczny.

Kod histonów i ekspresja genów

Fakt, że oktamery histonów i DNA oddziałują elektrostatycznie, częściowo wyjaśnia ich efektywną asocjację, bez utraty płynności wymaganej do tworzenia dynamicznych elementów nukleosomów do zagęszczania i rozkładania chromatyny.

Ale jest jeszcze bardziej zaskakujący element interakcji: N-końcowe końce histonów są odsłonięte na zewnątrz wnętrza bardziej zwartego i obojętnego oktameru.

Końce te nie tylko fizycznie oddziałują z DNA, ale także podlegają serii kowalencyjnych modyfikacji, od których zależy stopień zagęszczenia chromatyny i ekspresja związanego z nią DNA.

Zbiór modyfikacji kowalencyjnych, między innymi pod względem rodzaju i liczby, jest zbiorczo nazywany kodem histonowym. Modyfikacje te obejmują fosforylację, metylację, acetylację, ubikwitynację i sumoilację reszt argininy i lizyny na N-końcach histonów.

Każda zmiana, razem z innymi w tej samej cząsteczce lub w resztach innych histonów, szczególnie histonów H3, będzie determinować ekspresję lub brak ekspresji związanego DNA, a także stopień zagęszczenia chromatyny.

Jako ogólną zasadę zaobserwowano na przykład, że hipermetylowane i hipoacetylowane histony decydują o tym, że powiązany DNA nie jest wyrażany i że chromatyna jest obecna w bardziej zwartym stanie (heterochromatyczny, a zatem nieaktywny).

W przeciwieństwie do tego euchromatyczny DNA (mniej zbity i aktywny genetycznie) jest powiązany z chromatyną, której histony są hiperacetylowane i hipometylowane.

Euchromatyna vs heterochromatyna

Widzieliśmy już, że status modyfikacji kowalencyjnej histonów może determinować stopień ekspresji i miejscowe zagęszczenie chromatyny. Na poziomie globalnym zagęszczenie 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 przylegania do blaszki jądrowej, pozostawiając wolne pory jądra.

Ze swojej strony konstytutywna euchromatyna (która jest zawsze wyrażana, na przykład ta, która obejmuje geny odpowiedzialne za utrzymanie komórki i znajduje się w regionach luźnej chromatyny), robi to w dużych pętlach, które odsłaniają DNA, który ma być transkrybowany do mechanizmu transkrypcyjnego .

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

Inne funkcje

Aby zrealizować plan rozwoju, ekspresji i utrzymania komórek, genomy organizmów eukariotycznych muszą precyzyjnie regulować, kiedy i jak muszą się manifestować ich potencjały genetyczne.

Zaczynając od informacji przechowywanych w ich genach, są one zlokalizowane w jądrze w poszczególnych regionach, które determinują ich stan transkrypcyjny.

Możemy zatem powiedzieć, że inną z podstawowych ról nukleosomów, poprzez zmiany chromatyny, które pomaga to zdefiniować, jest organizacja lub architektura jądra, w którym się znajdują.

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

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell ( ^6th Edition). WW Norton & Company, Nowy Jork, NY, USA.
2. Brooker, RJ (2017). Genetyka: analiza i zasady. McGraw-Hill Higher Education, Nowy Jork, NY, USA.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Regulowana ruchliwość nukleosomów i kod histonów. Nature Structural & Molecular Biology, 11: 1037–43.
4. Goodenough, UW (1984) Genetyka. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
5. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Wprowadzenie do Analiza genetyczna (11 ^th ed.). Nowy Jork: WH Freeman, Nowy Jork, NY, USA.