- Vlastnosti
- Zloženie a štruktúra
- Zhutňovanie chromatínu
- Histónový kód a génová expresia
- Euchromatín verzus heterochromatín
- Ďalšie funkcie
- Referencie
Nucleosome je základná baliaca jednotka DNA v eukaryotických organizmoch. Je preto najmenším kompresným prvkom pre chromatín.
Nukleozóm je vybudovaný ako oktamér proteínov nazývaných históny alebo štruktúra v tvare bubna, na ktorú je navinutých asi 140 nt DNA, čo vedie k takmer dvom úplným zákrutám.
Štruktúra nukleozómov
Ďalej sa za súčasť nukleozómu považuje ďalších 40 - 80 nt DNA a je to frakcia DNA, ktorá umožňuje fyzickú kontinuitu medzi jedným nukleozómom a druhým v zložitejších chromatínových štruktúrach (ako je napríklad 30 nm chromatínové vlákno).
Histónový kód bol jedným z prvých molekulárne najlepšie pochopených epigenetických kontrolných prvkov.
Vlastnosti
Nukleozómy umožňujú:
- Balenie DNA, ktoré sa zmestí do obmedzeného priestoru jadra.
- Určujú rozdelenie medzi chromatínom, ktorý je exprimovaný (euchromatín), a tichým chromatínom (heterochromatín).
- Usporiadajú všetok chromatín tak priestorovo, ako aj funkčne v jadre.
- Predstavujú substrát kovalentných modifikácií, ktoré určujú expresiu a úroveň expresie génov, ktoré kódujú proteíny prostredníctvom takzvaného histónového kódu.
Zloženie a štruktúra
V najzákladnejšom zmysle sú nukleozómy tvorené DNA a proteínmi. DNA môže byť prakticky akákoľvek dvojpásmová DNA prítomná v jadre eukaryotickej bunky, zatiaľ čo nukleozomálne proteíny patria do skupiny proteínov nazývaných históny.
Históny sú malé proteíny s vysokým obsahom bázických aminokyselinových zvyškov; To umožňuje pôsobiť proti vysokému negatívnemu náboju DNA a vytvoriť účinnú fyzikálnu interakciu medzi týmito dvoma molekulami bez dosiahnutia rigidity kovalentnej chemickej väzby.
Históny tvoria bubnový oktamér s dvoma kópiami alebo monomérmi každého z histónov H2A, H2B, H3 a H4. DNA robí takmer dve úplné zákruty na stranách oktaméru a potom pokračuje frakciou linkerovej DNA, ktorá sa spája s histónom H1, aby sa vrátila, aby poskytla dve úplné zákruty na ďalšom oktaméri histónu.
Oktamérová sústava, asociovaná DNA a jej zodpovedajúca linkerová DNA, je nukleozóm.
Zhutňovanie chromatínu
Genomická DNA sa skladá z extrémne dlhých molekúl (viac ako meter v prípade ľudí, berúc do úvahy všetky ich chromozómy), ktoré musia byť zhutnené a usporiadané v extrémne malom jadre.
Prvý krok v tomto zhutňovaní sa uskutočňuje tvorbou nukleozómov. Len pri tomto kroku sa DNA zhutní asi 75-krát.
To vedie k lineárnemu vláknu, z ktorého sa vytvárajú následné úrovne zhutňovania chromatínu: vlákno s 30 nm, slučky a slučky slučiek.
Keď sa bunka delí, či už mitózou alebo meiózou, konečným stupňom zhutnenia je samotný mitotický alebo meiotický chromozóm.
Histónový kód a génová expresia
Skutočnosť, že oktaméry histónu a DNA interagujú elektrostaticky, čiastočne vysvetľuje ich efektívne spojenie bez toho, aby sa stratila tekutosť potrebná na to, aby sa nukleozómy stali dynamickými prvkami na zhutňovanie a dekompaktovanie chromatínu.
Existuje však ešte prekvapivejší interakčný prvok: N-terminálne konce histónov sú exponované mimo vnútro kompaktnejšieho a inertného oktaméru.
Tieto konce nielen fyzicky interagujú s DNA, ale tiež prechádzajú radom kovalentných modifikácií, od ktorých bude závisieť stupeň zhutnenia chromatínu a expresia pridruženej DNA.
Súbor kovalentných modifikácií, okrem iného z hľadiska typu a počtu, je súhrnne známy ako histónový kód. Tieto modifikácie zahŕňajú fosforyláciu, metyláciu, acetyláciu, ubikvitináciu a sumoyláciu arginínových a lyzínových zvyškov na N-koncoch histónov.
Každá zmena, spolu s ostatnými v tej istej molekule alebo v zvyškoch iných histónov, najmä histónov H3, bude určovať expresiu alebo neprítomnosť asociovanej DNA, ako aj stupeň zhutnenia chromatínu.
Vo všeobecnosti sa napríklad zistilo, že hypermetylované a hypoacetylované históny určujú, že asociovaná DNA sa neexprimuje a že chromatín je prítomný v kompaktnejšom stave (heterochromatický, a teda neaktívny).
Naproti tomu euchromatická DNA (menej kompaktná a geneticky aktívna) je spojená s chromatínom, ktorého históny sú hyperacetylované a hypomethylované.
Euchromatín verzus heterochromatín
Už sme videli, že stav kovalentnej modifikácie histónov môže určovať stupeň expresie a lokálne zhutňovanie chromatínu. Na globálnej úrovni je zhutňovanie chromatínu tiež regulované kovalentnými modifikáciami histónov v nukleozómoch.
Napríklad sa ukázalo, že konštitutívny heterochromatín (ktorý sa nikdy neexprimuje a je husto zabalený) má tendenciu byť pripojený k jadrovej vrstve, takže jadrové póry zostávajú voľné.
Konštitutívny euchromatín (ktorý je vždy exprimovaný, ako napríklad ten, ktorý obsahuje gény na udržanie buniek a je umiestnený v oblastiach laxného chromatínu), tak robí vo veľkých slučkách, ktoré vystavujú DNA, ktorá sa má transkribovať do transkripčného aparátu. ,
Ostatné oblasti genomickej DNA oscilujú medzi týmito dvoma stavmi v závislosti od času vývoja organizmu, podmienok rastu, bunkovej identity atď.
Ďalšie funkcie
Aby sa splnil plán rozvoja, expresie a udržiavania buniek, musia genómy eukaryotických organizmov presne regulovať, kedy a ako sa musia prejaviť ich genetické možnosti.
Počínajúc informáciami uloženými v ich génoch, sú tieto umiestnené v jadre v konkrétnych oblastiach, ktoré určujú ich transkripčný stav.
Môžeme teda povedať, že ďalšou zo základných úloh nukleozómov prostredníctvom zmien chromatínu, ktoré pomáha definovať, je organizácia alebo architektúra jadra, v ktorom sú umiestnené.
Táto architektúra je zdedená a je fylogeneticky zachovaná vďaka existencii týchto modulárnych prvkov informačného balenia.
Referencie
- Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6 th Edition). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
- Brooker, RJ (2017). Genetika: analýza a princípy. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
- Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Regulovaná mobilita nukleozómov a histónový kód. Nature Struct & & Molecular Biology, 11: 1037-43.
- Goodenough, UW (1984) Genetics. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
- Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Úvod do genetickej analýze (11 th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.