Nukleosomové funkce, složení a struktura



nukleosom je základní jednotkou balení DNA v eukaryotických organismech. Jedná se tedy o nejmenší prvek komprese chromatinu.

Nukleosom je konstruován jako oktamer proteinů nazývaných histony, nebo struktura ve tvaru bubnu, na které je navinuto asi 140 nt DNA, což dává téměř dvě úplné otočky..

Dále se má za to, že další 40-80 nt DNA je součástí nukleosomu a je to frakce DNA, která umožňuje fyzickou kontinuitu mezi jedním nukleosomem a druhým ve složitějších strukturách chromatinu (například 30 nm chromatinové vlákno)..

Kód histonu byl jedním z prvních elementů epigenetických kontrol, které byly molekulárně nejlépe pochopeny.

Index

  • 1 Funkce
  • 2 Složení a struktura
  • 3 Zhutnění chromatinu
  • 4 Kód histonů a exprese genů
  • 5 Euchromatin vs. heterochromatin
  • 6 Další funkce
  • 7 Odkazy

Funkce

Nukleosomy umožňují:

  • Balení DNA, aby se mu v omezeném prostoru jádra uvolnilo místo.
  • Určete rozdělení mezi exprimovaným chromatinem (euchromatin) a tichým chromatinem (heterochromatinem).
  • Uspořádejte všechny chromatiny jak prostorově, tak funkčně v jádru.
  • Představují substrát kovalentních modifikací, které určují expresi a úroveň exprese genů, které kódují proteiny prostřednictvím tzv. Histonového kódu..

Složení a struktura

Ve svém nejzákladnějším smyslu se nukleosomy skládají z DNA a proteinů. DNA může být v podstatě jakákoliv dvojpásmová DNA přítomná v jádru eukaryotické buňky, zatímco nukleosomální proteiny patří k souboru proteinů nazývaných histony..

Histony jsou proteiny malé velikosti a s vysokým zatížením bazických aminokyselinových zbytků; to umožňuje působit proti vysokému negativnímu náboji DNA a navázat účinnou fyzikální interakci mezi oběma molekulami bez dosažení tuhosti kovalentní chemické vazby.

Histony tvoří oktamer jako buben se dvěma kopiemi nebo monomery každého z histonů H2A, H2B, H3 a H4. DNA dává téměř dva úplné otočky na stranách oktameru a pak pokračuje zlomkem DNA linkeru, který se spojuje s histonem H1, aby se vrátil, aby dal dva plné otočky v jiném histonovém oktameru..

Oktamerová sada, asociovaná DNA a její odpovídající DNA linker, je nukleosom.

Zhutnění chromatinu

Genomová DNA je tvořena extrémně dlouhými molekulami (více než jeden metr v případě lidské bytosti, s ohledem na všechny její chromozomy), které musí být zhutněny a organizovány v extrémně malém jádru.

První krok tohoto zhutnění se provádí tvorbou nukleosomů. Pouze tímto krokem se DNA zhutní asi 75 krát.

Vzniká tak lineární vlákno, z něhož se vytváří následující úrovně zhutnění chromatinu: 30 nm vlákna, smyčky a smyčky smyček.

Když se buňka dělí, buď mitózou nebo meiózou, konečným stupněm zhutnění je samotný mitotický nebo meiotický chromozom, resp..

Kód histonu a genová exprese

Skutečnost, že histonové oktamery a DNA interagují elektrostaticky, částečně vysvětlují jejich účinnou asociaci, aniž by ztratily tekutost potřebnou k tomu, aby nukleosomy byly dynamické prvky komprese a dekompakce chromatinu..

Existuje však ještě překvapivější prvek interakce: N-koncové konce histonů jsou vystaveny mimo vnitřek oktameru, kompaktnější a inertnější.

Tyto extrémy nejen fyzicky interagují s DNA, ale také podléhají sérii kovalentních modifikací, na kterých bude záviset stupeň zhutnění chromatinu a exprese asociované DNA..

Soubor kovalentních modifikací, pokud jde o typ a počet, je mimo jiné souhrnně označován jako kód histonu. Tyto modifikace zahrnují fosforylaci, methylaci, acetylaci, ubikvitinaci a sumoylaci zbytků argininu a lysinu na N koncích histonů..

Každá změna, ve spojení s ostatními ve stejné molekule nebo ve zbytcích jiných histonů, zejména histonů H3, bude určovat expresi asociované DNA nebo ne, stejně jako stupeň zhutnění chromatinu..

Jako obecné pravidlo bylo například pozorováno, že hypermethylované a hypoacetylované histony určují, že asociovaná DNA není exprimována a že tento chromatin je přítomen ve více kompaktním stavu (heterochromatický, a proto neaktivní)..

Naproti tomu euchromatická DNA (méně kompaktní a geneticky aktivní) je spojena s chromatinem, jehož histony jsou hyperacetylované a hypomethylované.

Echromatin vs. heterochromatin

Již jsme zjistili, že stav kovalentní modifikace histonů může určit stupeň exprese a kompakce lokálního chromatinu. Na globálních úrovních je také komprese chromatinu regulována kovalentními modifikacemi histonů v nukleosomech.

Ukázalo se například, že konstitutivní heterochromatin (který není nikdy exprimován a je hustě zabalen) má tendenci být umístěn v blízkosti jaderného archu a ponechává jaderné póry volné..

Na druhé straně, konstitutivní euchromatin (který je vždy vyjádřen, takový jak to zahrnovat buněčné udržovací geny, a je lokalizován v oblastech volného chromatinu), dělá tak ve velkých smyčkách, které vystavují DNA být přepsán k přepisovému stroji \ t.

Ostatní oblasti genomové DNA oscilují mezi těmito dvěma stavy v závislosti na době vývoje organismu, růstových podmínkách, buněčné identitě atd..

Další funkce

Aby byl splněn plán vývoje, exprese a udržování buněk, musí genomy eukaryotických organismů jemně regulovat, kdy a jak by se měly projevit jejich genetické potenciály..

Vycházejíce z informací uložených v jejich genech, jsou umístěny v jádru v určitých oblastech, které určují jejich transkripční stav.

Můžeme tedy říci, že další ze základních rolí nukleosomů prostřednictvím změn chromatinu, které pomáhají definovat, je organizace nebo architektura jádra, které je hostitelem..

Tato architektura je dědičná a díky existenci těchto modulárních prvků informačního obalu je fylogeneticky zachována.

Odkazy

  1. Alberts, B., Johnson, A.D., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6)th Vydání). W. Norton & Company, New York, NY, USA.
  2. Brooker, R. J. (2017). Genetika: analýza a principy. McGraw-Hill vysokoškolské vzdělání, New York, NY, USA.
  3. Cosgrove, M. S., Boeke, J. D., Wolberger, C. (2004). Regulovaná pohyblivost nukleosomů a kód histonu. Nature Structural & Molecular Biology, 11: 1037-43.
  4. Goodenough, U. W. (1984) Genetics. W. B. Saunders Co. Ltd., Pkiladelphia, PA, USA.
  5. Griffiths, A. J. F., Wessler, R., Carroll, S.B., Doebley, J. (2015). Úvod do genetické analýzy (11th ed.). New York: W. H. Freeman, New York, NY, USA.