Nukleosomfunksjoner, sammensetning og struktur

De nukleosom det er den grunnleggende enheten for DNA-emballasje i eukaryote organismer. Det er derfor det minste komprimeringselementet for kromatin.

Nukleosomet er bygget som en oktamer av proteiner som kalles histoner, eller en trommelformet struktur som ca. 140 nt DNA er viklet på, og gjør nesten to komplette svinger..

I tillegg anses ytterligere 40-80 nt DNA å være en del av nukleosomet, og det er DNA-fraksjonen som tillater fysisk kontinuitet mellom ett nukleosom og et annet i mer komplekse kromatinstrukturer (for eksempel 30 nm kromatinfiber)..

Histonkoden var en av de første molekylært forståte epigenetiske kontrollelementene..

Artikkelindeks

• 1 Funksjoner
• 2 Sammensetning og struktur
• 3 Komprimering av kromatin
• 4 Histonkoden og genuttrykk
• 5 Euchromatin vs heterochromatin
• 6 Andre funksjoner
• 7 Referanser

Funksjoner

Nukleosomer tillater:

• Emballasje av DNA for å passe inn i det begrensede rommet i kjernen.
• De bestemmer partisjonen mellom kromatinet som uttrykkes (eukromatin) og det stille kromatinet (heterochromatin).
• Organiser alt kromatin både romlig og funksjonelt i kjernen.
• De representerer substratet for de kovalente modifikasjonene som bestemmer ekspresjonen og ekspressjonsnivået til genene som koder for proteiner gjennom den såkalte histonkoden.

Sammensetning og struktur

I sin mest grunnleggende forstand består nukleosomer av DNA og proteiner. DNA kan være praktisk talt hvilket som helst dobbeltbånd-DNA som er tilstede i kjernen til den eukaryote cellen, mens nukleosomale proteiner alle tilhører settet med proteiner som kalles histoner..

Histoner er små proteiner med høy belastning av basiske aminosyrerester; Dette gjør det mulig å motvirke den høye negative ladningen av DNA og etablere en effektiv fysisk interaksjon mellom de to molekylene uten å nå stivheten til den kovalente kjemiske bindingen..

Histoner danner en trommelignende oktamer med to kopier eller monomerer av hver av histonene H2A, H2B, H3 og H4. DNA gjør nesten to komplette svinger på sidene av oktameren og fortsetter deretter med en brøkdel av linker-DNA som assosieres med histon H1, for å returnere for å gi to komplette svinger på en annen histonoktamer..

Oktamersettet, assosiert DNA, og dets tilsvarende linker-DNA, er et nukleosom.

Komprimering av kromatin

Genomisk DNA består av ekstremt lange molekyler (mer enn en meter når det gjelder mennesker, med tanke på alle kromosomene), som må komprimeres og organiseres i en ekstremt liten kjerne.

Det første trinnet i denne komprimeringen utføres gjennom dannelsen av nukleosomer. Med dette trinnet alene komprimeres DNA omtrent 75 ganger.

Dette gir opphav til en lineær fiber som etterfølgende nivåer av kromatinkomprimering bygges fra: 30 nm fiber, sløyfer og sløyfer..

Når en celle deler seg, enten ved mitose eller ved meiose, er den ultimate grad av komprimering henholdsvis det mitotiske eller meiotiske kromosomet..

Histonkoden og genuttrykk

Det faktum at histonoktamerer og DNA samhandler elektrostatisk, forklarer delvis deres effektive assosiasjon, uten å miste den nødvendige fluiditeten for å gjøre nukleosomene til dynamiske elementer for komprimering og nedbrytning av kromatin..

Men det er et enda mer overraskende interaksjonselement: De N-terminale endene av histonene blir utsatt utenfor det indre av oktameret, som er mer kompakt og inert..

Disse ender interagerer ikke bare fysisk med DNA, men gjennomgår også en serie kovalente modifikasjoner som graden av komprimering av kromatinet og ekspresjonen av det tilknyttede DNA vil avhenge av..

Settet med kovalente modifikasjoner, blant annet når det gjelder type og antall, er samlet kjent som histonkoden. Disse modifikasjonene inkluderer fosforylering, metylering, acetylering, ubiquitinering og sumoylering av arginin- og lysinrester ved N-terminalene til histoner..

Hver endring, sammen med andre i det samme molekylet eller i rester av andre histoner, spesielt histoner H3, vil bestemme ekspresjonen eller ikke av det assosierte DNA, så vel som graden av komprimering av kromatinet..

Som en generell regel har det for eksempel blitt sett at hypermetylerte og hypoacetylerte histoner bestemmer at det tilknyttede DNA ikke uttrykkes, og at kromatin er tilstede i en mer kompakt tilstand (heterokromatisk, og derfor inaktiv)..

I motsetning til dette er eukromatisk DNA (mindre kompakt og genetisk aktiv) assosiert med et kromatin hvis histoner er hyperacetylert og hypometylert..

Euchromatin vs heterochromatin

Vi har allerede sett at kovalent modifiseringsstatus for histoner kan bestemme ekspressjonsgraden og lokal kromatinkomprimering. På globale nivåer blir også kromatinkomprimering regulert av kovalente modifikasjoner av histoner i nukleosomer.

Det har for eksempel blitt vist at konstitutivt heterokromatin (som aldri blir uttrykt, og er tett pakket) har en tendens til å feste seg til kjernefysisk laminat, slik at kjerneporene blir fri..

For sin del gjør konstitutivt eukromatin (som alltid uttrykkes, slik som det som inkluderer cellevedlikeholdsgener, og som ligger i regioner med slapp kromatin) det i store sløyfer som utsetter DNA som skal transkriberes til transkripsjonsmaskineriet.

Andre regioner med genomisk DNA svinger mellom disse to tilstandene, avhengig av utviklingstiden til organismen, vekstbetingelser, celleidentitet, etc..

Andre funksjoner

For å oppfylle planen for celleutvikling, uttrykk og vedlikehold, må genomene til eukaryote organismer finregulere når og hvordan deres genetiske potensialer må manifestere seg..

Fra og med informasjonen som er lagret i genene, er disse lokalisert i kjernen i bestemte regioner som bestemmer deres transkripsjonstilstand..

Vi kan derfor si at en annen av de grunnleggende rollene til nukleosomer, gjennom endringene i kromatin som den hjelper til med å definere, er organisasjonen eller arkitekturen til kjernen som huser dem..

Denne arkitekturen er arvet og er fylogenetisk bevart takket være eksistensen av disse modulære elementene i informasjonsemballasje.

Referanser

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