Nukleosomfunktioner, sammensætning og struktur

Det nukleosom det er den grundlæggende enhed af DNA-emballering i eukaryote organismer. Det er derfor det mindste kromatinkompressionselement.

Nukleosomet er bygget som en octamer af proteiner kaldet histoner eller en tromleformet struktur, hvorpå ca. 140 nt DNA er viklet, hvilket gør næsten to komplette drejninger..

Derudover betragtes yderligere 40-80 nt DNA for at være en del af nukleosomet, og det er DNA-fraktionen, der tillader fysisk kontinuitet mellem et nukleosom og et andet i mere komplekse kromatinstrukturer (såsom 30 nm kromatinfiber)..

Histonkoden var et af de første molekylært forståede epigenetiske kontrolelementer..

Artikelindeks

• 1 Funktioner
• 2 Sammensætning og struktur
• 3 Komprimering af kromatin
• 4 Histonkoden og genekspression
• 5 Euchromatin vs heterochromatin
• 6 Andre funktioner
• 7 Referencer

Funktioner

Nukleosomer tillader:

• Pakning af DNA, så det passer ind i kernens begrænsede rum.
• De bestemmer fordelingen mellem kromatinet, der udtrykkes (euchromatin), og det tavse kromatin (heterochromatin).
• Organiser alt kromatin både rumligt og funktionelt i kernen.
• De repræsenterer substratet for de kovalente modifikationer, der bestemmer ekspressionen og ekspressionsniveauet for de gener, der koder for proteiner gennem den såkaldte histonkode.

Sammensætning og struktur

I sin mest basale forstand består nukleosomer af DNA og proteiner. DNA kan være stort set ethvert dobbeltbånds-DNA til stede i kernen i den eukaryote celle, mens nukleosomale proteiner alle tilhører det sæt proteiner, der kaldes histoner..

Histoner er små proteiner med en høj belastning af basiske aminosyrerester; Dette gør det muligt at modvirke den høje negative ladning af DNA og etablere en effektiv fysisk interaktion mellem de to molekyler uden at nå stivheden af ​​den kovalente kemiske binding..

Histoner danner en tromllignende octamer med to kopier eller monomerer af hver af histonerne H2A, H2B, H3 og H4. DNA'et foretager næsten to komplette drejninger på siderne af octameren og fortsætter derefter med en brøkdel af linker-DNA, der associeres med histon H1, for at vende tilbage for at give to komplette drejninger på en anden histonoctamer..

Octamersættet, associeret DNA og dets tilsvarende linker-DNA er et nukleosom.

Komprimering af kromatin

Genomisk DNA består af ekstremt lange molekyler (mere end en meter for mennesker i betragtning af alle deres kromosomer), som skal komprimeres og organiseres i en ekstremt lille kerne.

Det første trin i denne komprimering udføres gennem dannelsen af ​​nukleosomer. Med dette trin alene komprimeres DNA ca. 75 gange.

Dette giver anledning til en lineær fiber, hvorfra efterfølgende niveauer af kromatinkomprimering bygges: 30 nm fiber, sløjferne og sløjferne af sløjfer..

Når en celle deler sig, enten ved mitose eller ved meiose, er den ultimative grad af komprimering henholdsvis det mitotiske eller meiotiske kromosom..

Histonkoden og genekspression

Den kendsgerning, at histonoktamerer og DNA interagerer elektrostatisk, forklarer til dels deres effektive tilknytning uden at miste den nødvendige fluiditet for at gøre nukleosomer til dynamiske elementer til komprimering og nedbrydning af kromatin..

Men der er et endnu mere overraskende interaktionselement: De N-terminale ender af histonerne eksponeres uden for det indre af octameren, hvilket er mere kompakt og inert..

Disse ender interagerer ikke kun fysisk med DNA'et, men gennemgår også en række kovalente modifikationer, hvor graden af ​​komprimering af kromatinet og ekspressionen af ​​det associerede DNA vil afhænge..

Sættet med kovalente ændringer, blandt andet med hensyn til type og antal, er kollektivt kendt som histonkoden. Disse modifikationer inkluderer phosphorylering, methylering, acetylering, ubiquitinering og sumoylering af arginin- og lysinrester ved N-terminalerne af histoner..

Hver ændring sammen med andre inden for det samme molekyle eller i rester af andre histoner, især histoner H3, vil bestemme ekspressionen eller ej af det associerede DNA såvel som graden af ​​komprimering af kromatinet..

Som en generel regel er det for eksempel blevet set, at hypermethylerede og hypoacetylerede histoner bestemmer, at det associerede DNA ikke udtrykkes, og at kromatin er til stede i en mere kompakt tilstand (heterokromatisk og derfor inaktiv)..

I modsætning hertil er eukromatisk DNA (mindre kompakt og genetisk aktiv) forbundet med et kromatin, hvis histoner er hyperacetyleret og hypomethyleret..

Euchromatin vs heterochromatin

Vi har allerede set, at den kovalente modifikationsstatus for histoner kan bestemme graden af ​​ekspression og lokal kromatinkomprimering. På globalt plan reguleres kromatinkomprimering også ved kovalente modifikationer af histoner i nukleosomer.

Det er for eksempel blevet vist, at konstituerende heterochromatin (som aldrig udtrykkes og er tæt pakket) har tendens til at klæbe til det nukleare lag og efterlade de nukleare porer fri..

Konstitutivt euchromatin (som altid udtrykkes, såsom det, der inkluderer cellevedligeholdelsesgener og er placeret i regioner med slap kromatin), gør det i store sløjfer, der udsætter det DNA, der skal transkriberes til transkriptionsmaskineriet.

Andre regioner med genomisk DNA oscillerer mellem disse to tilstande afhængigt af organismernes udviklingstid, vækstbetingelser, celleidentitet osv..

Andre funktioner

For at opfylde deres plan for celleudvikling, ekspression og vedligeholdelse skal genomerne af eukaryote organismer finregulere hvornår og hvordan deres genetiske potentialer skal manifestere sig..

Fra den information, der er gemt i deres gener, er disse placeret i kernen i bestemte regioner, der bestemmer deres transkriptionelle tilstand..

Vi kan derfor sige, at en anden af ​​nukleosomernes grundlæggende roller gennem de ændringer i kromatin, som det hjælper med at definere, er organisationen eller arkitekturen for den kerne, der huser dem..

Denne arkitektur er nedarvet og er fylogenetisk bevaret takket være eksistensen af ​​disse modulære elementer af informationsemballage.

Referencer

1. Alberts, B., Johnson, A. D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6^th Udgave). W. W. Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Brooker, R. J. (2017). Genetik: analyse og principper. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
3. Cosgrove, M. S., Boeke, J. D., Wolberger, C. (2004). Reguleret nukleosommobilitet og histonkoden. Nature Structural & Molecular Biology, 11: 1037-43.
4. Goodenough, U. W. (1984) Genetik. W. B. Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
5. Griffiths, A. J. F., Wessler, R., Carroll, S. B., Doebley, J. (2015). En introduktion til genetisk analyse (11^th red.). New York: W. H. Freeman, New York, NY, USA.