NUKLEOSOM: FUNKTIONER, SAMMENSÆTNING OG STRUKTUR - BIOLOGI - 2025

Den nukleosom er den grundlæggende emballage enhed DNA i eukaryote organismer. Det er derfor det mindste kompressionselement til kromatin.

Nukleosomet er bygget som en oktamer af proteiner, der kaldes histoner, eller en trommelformet struktur, hvorpå ca. 140 nt DNA vikles, hvilket gør næsten to komplette vendinger.

Nukleosomstruktur

Derudover betragtes yderligere 40-80 nt DNA som 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 kromatinfiberen).

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

Funktioner

Nukleosomer tillader:

• Emballage af DNA, der passer til det begrænsede rum i kernen.
• De bestemmer fordelingen mellem den udtrykte kromatin (euchromatin) og den tavse kromatin (heterochromatin).
• De organiserer al kromatin både rumligt og funktionelt i kernen.
• De repræsenterer underlaget for de kovalente modifikationer, der bestemmer ekspressionen og ekspressionsniveauet af generne, 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 praktisk talt ethvert dobbeltbånd-DNA, der er til stede i kernen i den eukaryote celle, mens nukleosomale proteiner alle hører til 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 trommelignende oktamer med to kopier eller monomerer af hver af histoner H2A, H2B, H3 og H4. DNA'et foretager næsten to komplette vendinger på siderne af oktameren og fortsætter derefter med en brøkdel af linker-DNA, der associeres med histon H1, for at vende tilbage for at give to komplette vendinger på en anden histonoktamer.

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

Chromatin komprimering

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

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

Dette giver anledning til en lineær fiber, hvorfra efterfølgende niveauer af kromatinkomprimering er bygget: fiberen 30 nm, sløjferne og sløjferne.

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

Det faktum, at histonoktamer og DNA interagerer elektrostatisk, forklarer delvist deres effektive tilknytning uden at miste fluiditeten, der kræves for at gøre nukleosomer dynamiske elementer af komprimering og dekompaktering af kromatin.

Men der er et endnu mere overraskende interaktionselement: De N-terminale ender af histonerne udsættes uden for det indre af den mere kompakte og inerte oktamer.

Disse ender interagerer ikke kun fysisk med DNA'et, men gennemgår også en række kovalente modifikationer, på hvilke graden af ​​komprimering af kromatinet og ekspressionen af ​​det tilknyttede DNA afhænger.

Sættet af kovalente modifikationer, blandt andet med hensyn til type og antal, er samlet kendt som histonkoden. Disse modifikationer inkluderer phosphorylering, methylering, acetylering, ubiquitination og sumoylering af arginin og lysinrester ved N-terminalen 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 tilknyttede DNA såvel som graden af ​​komprimering af kromatinet.

Som en generel regel har det for eksempel været set, at hypermethylerede og hypoacetylerede histoner bestemmer, at det tilknyttede 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 en kromatin, hvis histoner er hyperacetyleret og hypomethyleret.

Euchromatin vs heterochromatin

Vi har allerede set, at den kovalente modifikationsstatus af histoner kan bestemme ekspressionsgraden og lokal kromatinkomprimering. På globale niveauer reguleres kromatinkompression ligeledes ved kovalente modifikationer af histoner i nukleosomer.

For eksempel har det vist sig, at konstitutivt heterochromatin (som aldrig udtrykkes og er tætpakket) har en tendens til at blive bundet til den nukleare lamina, hvilket efterlader de nukleare porer fri.

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

Andre regioner af genomisk DNA svinger mellem disse to tilstande afhængigt af organisationens udviklingstid, vækstbetingelserne, den cellulære identitet osv.

Andre funktioner

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

Fra de oplysninger, 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 af ​​kernen, der huser dem.

Denne arkitektur er arvet og er filogenetisk bevaret takket være eksistensen af ​​disse modulære elementer i informativ emballage.

Referencer

1. 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.
2. Brooker, RJ (2017). Genetik: analyse og principper. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Reguleret nukleosommobilitet og histonkoden. Nature Structural & Molecular Biology, 11: 1037-43.
4. Goodenough, UW (1984) Genetik. WB Saunders Co. Ltd, Pkil Philadelphia, PA, USA.
5. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). En introduktion til Genetisk analyse (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.