NUKLEOSOM: FUNKTIONER, SAMMANSÄTTNING OCH STRUKTUR - BIOLOGI

Den nukleosom är den grundläggande förpackningsenheten av DNA i eukaryota organismer. Det är därför det minsta komprimeringselementet för kromatin.

Nukleosomen är byggd som en oktamer med proteiner som kallas histoner, eller en trumformad struktur på vilken cirka 140 nt DNA är lindad, vilket gör nästan två fullständiga varv.

Nukleosomstruktur

Dessutom anses ytterligare 40-80 nt DNA vara en del av nukleosomen, och det är DNA-fraktionen som tillåter fysisk kontinuitet mellan en nukleosom och en annan i mer komplexa kromatinstrukturer (såsom 30 nm kromatinfiber).

Histonkoden var ett av de första molekylärt bäst uppfattade epigenetiska kontrollelementen.

Funktioner

Nukleosomer tillåter:

Förpackningen av DNA så att den passar i kärnans begränsade utrymme.
De bestämmer fördelningen mellan kromatinet som uttrycks (eukromatin) och tyst kromatin (heterokromatin).
De organiserar allt kromatin både rumsligt och funktionellt i kärnan.
De representerar substratet för de kovalenta modifikationerna som bestämmer uttrycket och expressionsnivån för generna som kodar för proteiner genom den så kallade histonkoden.

Sammansättning och struktur

I dess mest grundläggande mening består nukleosomer av DNA och proteiner. DNA kan vara praktiskt taget vilket dubbelband-DNA som helst som finns i kärnan i den eukaryota cellen, medan nukleosomala proteiner alla tillhör den uppsättning proteiner som kallas histoner.

Histoner är små proteiner med en hög belastning av basiska aminosyrarester; Detta gör det möjligt att motverka den höga negativa laddningen av DNA och etablera en effektiv fysisk interaktion mellan de två molekylerna utan att uppnå styvheten i den kovalenta kemiska bindningen.

Histoner bildar en trumliknande oktamer med två kopior eller monomerer av var och en av histonerna H2A, H2B, H3 och H4. DNA: t gör nästan två fullständiga varv på sidorna av oktamern och fortsätter sedan med en bråkdel av linker-DNA som associeras med histon H1 för att återvända för att ge två fullständiga varv på en annan histonoktamer.

Oktameruppsättningen, associerat DNA och dess motsvarande linker-DNA, är en nukleosom.

Kromatinkompaktering

Genomiskt DNA består av extremt långa molekyler (mer än en meter för människor, med tanke på alla deras kromosomer), som måste komprimeras och organiseras i en extremt liten kärna.

Det första steget i denna kompaktering utförs genom bildandet av nukleosomer. Med endast detta steg komprimeras DNA: t 75 gånger.

Detta ger upphov till en linjär fiber från vilken efterföljande nivåer av kromatinkompaktering byggs: fibern 30 nm, slingor och slingor.

När en cell delar upp, antingen genom mitos eller med meios, är den ultimata kompakteringsgraden den mitotiska eller meiotiska kromosomen i sig.

Histonkoden och genuttrycket

Det faktum att histonoktamer och DNA interagerar elektrostatiskt förklarar delvis deras effektiva associering, utan att förlora fluiditeten som krävs för att göra nukleosomer dynamiska element i kompaktering och dekompaktering av kromatin.

Men det finns ett ännu mer förvånande interaktionselement: de N-terminala ändarna av histonerna exponeras utanför det inre av den mer kompakta och inerta oktameran.

Dessa ändar interagerar inte bara fysiskt med DNA, utan genomgår också en serie kovalenta modifikationer på vilka graden av komprimering av kromatinet och uttrycket av det associerade DNA kommer att bero.

Uppsättningen av kovalenta modifikationer, bland annat typ och antal, kallas kollektivt histonkoden. Dessa modifikationer inkluderar fosforylering, metylering, acetylering, ubikvitering och sumoylering av arginin- och lysinrester vid N-terminalen av histoner.

Varje förändring, tillsammans med andra inom samma molekyl eller i rester av andra histoner, speciellt histoner H3, kommer att bestämma uttrycket eller inte av det associerade DNA, liksom graden av kompaktering av kromatinet.

Som en allmän regel har man t ex sett att hypermetylerade och hypoacetylerade histoner bestämmer att det associerade DNA inte uttrycks och att kromatin förekommer i ett mer kompakt tillstånd (heterokromatisk, och därför inaktiv).

Däremot är eukromatiskt DNA (mindre kompakt och genetiskt aktivt) associerat med ett kromatin vars histoner är hyperacetylerade och hypometylerade.

Eukromatin kontra heterokromatin

Vi har redan sett att den kovalenta modifieringsstatusen för histoner kan bestämma graden av expression och lokal kromatinkompaktering. På globala nivåer regleras kromatinkompaktering på samma sätt genom kovalenta modifikationer av histoner i nukleosomer.

Exempelvis har det visats att konstitutivt heterokromatin (som aldrig uttrycks och är tätt packat) tenderar att fästas vid kärnlamina och lämna kärnporerna fria.

Konstitutivt euchromatin (som alltid uttrycks, såsom det som inkluderar cellunderhållsgener och är beläget i regioner med slapp kromatin) gör det i stora slingor som exponerar DNA som ska transkriberas till transkriptionsmaskineriet .

Andra regioner av genomiskt DNA oscillerar mellan dessa två tillstånd beroende på organisationens utvecklingstid, tillväxtbetingelserna, den cellulära identiteten etc.

Andra funktioner

För att uppfylla deras plan för cellutveckling, uttryck och underhåll, måste eukaryota organismer genomfina reglera när och hur deras genetiska potentialer måste manifestera.

Från och med från informationen lagrad i deras gener, är dessa belägna i kärnan i speciella regioner som bestämmer deras transkriptionella tillstånd.

Vi kan därför säga att en annan av de grundläggande rollerna hos nukleosomer, genom kromatinförändringar som det hjälper till att definiera, är organisationen eller arkitekturen för kärnan som inrymmer dem.

Denna arkitektur ärvs och bevaras fylogenetiskt tack vare förekomsten av dessa modulära element i informationsförpackningar.

referenser

Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6: ^e upplagan). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
Brooker, RJ (2017). Genetik: Analys och principer. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Reglerad nukleosomrörlighet och histonkoden. Nature Structural & Molecular Biology, 11: 1037-43.
Goodenough, UW (1984) Genetics. WB Saunders Co. Ltd, Pkil Philadelphia, PA, USA.
Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). En introduktion till genetisk analys (11: ^e upplagan). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.

NUKLEOSOM: FUNKTIONER, SAMMANSÄTTNING OCH STRUKTUR - BIOLOGI - 2025