- Характеристика
- Състав и структура
- Уплътняване на хроматин
- Хистонният код и генната експресия
- Евхроматин срещу хетерохроматин
- Други функции
- Препратки
В нуклеозомата е основната опаковка единица на ДНК в еукариотните организми. Следователно той е най-малкият компресионен елемент за хроматина.
Нуклеозомата е изградена като октамер от протеини, наречени хистони, или структура с формата на барабан, върху която е навита около 140 nt ДНК, което прави почти два пълни оборота.
Нуклеозомна структура
Освен това, допълнителните 40-80 nt ДНК се считат за част от нуклеозомата и именно ДНК фракцията позволява физическата непрекъснатост между една нуклеозома и друга в по-сложни хроматинови структури (като 30 nm хроматиново влакно).
Хистонният код беше един от първите молекулно най-добре разбрани епигенетични контролни елементи.
Характеристика
Нуклеозомите позволяват:
- Опаковката на ДНК, за да се побере в ограниченото пространство на ядрото.
- Те определят дяла между хроматина, който се експресира (еухроматин) и безшумния хроматин (хетерохроматин).
- Те организират целия хроматин както пространствено, така и функционално в ядрото.
- Те представляват субстрата на ковалентните модификации, които определят експресията и нивото на експресия на гените, които кодират протеини чрез така наречения хистонов код.
Състав и структура
В най-основния си смисъл нуклеозомите са изградени от ДНК и протеини. ДНК може да бъде практически всяка двойна лента ДНК, присъстваща в ядрото на еукариотната клетка, докато нуклеозомните протеини принадлежат към набора протеини, наречени хистони.
Хистоните са малки протеини с високо натоварване на основни аминокиселинни остатъци; Това позволява да се противодейства на високия отрицателен заряд на ДНК и да се установи ефективно физическо взаимодействие между двете молекули, без да се достигне твърдостта на ковалентната химична връзка.
Хистоните образуват барабанен октамер с две копия или мономери на всеки от хистоните H2A, H2B, H3 и H4. ДНК прави почти два пълни оборота от страните на октамера и след това продължава с фракция от линкерна ДНК, която се свързва с хистон Н1, за да се върне, за да даде два пълни оборота на друг хистонов октамер.
Октамерният комплект, свързаната ДНК и съответната му линкерна ДНК, е нуклеозома.
Уплътняване на хроматин
Геномната ДНК се състои от изключително дълги молекули (повече от метър при хората, като се имат предвид всичките им хромозоми), които трябва да бъдат уплътнени и организирани в изключително малко ядро.
Първият етап от това уплътняване се осъществява чрез образуването на нуклеозоми. Само с тази стъпка ДНК се уплътнява около 75 пъти.
Това поражда линейно влакно, от което са изградени последващи нива на уплътняване на хроматин: 30 nm влакно, бримки и бримки на бримки.
Когато клетката се дели, или чрез митоза, или чрез мейоза, крайната степен на уплътняване е съответно самата митотична или мейотична хромозома.
Хистонният код и генната експресия
Фактът, че октамерите на хистон и ДНК взаимодействат електростатично, обяснява отчасти тяхната ефективна връзка, без да губи флуидността, необходима за превръщането на нуклеозомите в динамични елементи за уплътняване и разлагане на хроматина.
Но има още по-изненадващ елемент на взаимодействие: N-крайните краища на хистоните са изложени извън вътрешността на по-компактния и инертен октамер.
Тези краища не само взаимодействат физически с ДНК, но и претърпяват серия от ковалентни модификации, от които ще зависи степента на уплътняване на хроматина и експресията на свързаната ДНК.
Наборът от ковалентни модификации по отношение на вид и брой, наред с други неща, е общо известен като хистонов код. Тези модификации включват фосфорилиране, метилиране, ацетилиране, повсеместност и сумоилиране на остатъци от аргинин и лизин при N-края на хистоните.
Всяка промяна, заедно с други в една и съща молекула или в остатъци от други хистони, по-специално хистони Н3, ще определят експресията или не на свързаната ДНК, както и степента на уплътняване на хроматина.
Като общо правило се вижда, че хиперметилирани и хипоацетилирани хистони определят, че свързаната ДНК не се експресира и че хроматинът присъства в по-компактно състояние (хетерохроматично и следователно неактивно).
За разлика от тях, евхроматичната ДНК (по-малко компактна и генетично активна) е свързана с хроматин, чиито хистони са хиперацетилирани и хипометилирани.
Евхроматин срещу хетерохроматин
Вече видяхме, че състоянието на ковалентна модификация на хистоните може да определи степента на експресия и локалното уплътняване на хроматина. На глобално ниво, уплътняването на хроматина също се регулира от ковалентни модификации на хистоните в нуклеозомите.
Например, показано е, че конститутивният хетерохроматин (който никога не се експресира и е плътно опакован) има тенденция да бъде прикрепен към ядрената ламина, оставяйки ядрените пори свободни.
От своя страна конститутивният еухроматин (който винаги се експресира, като този, който включва гени за поддържане на клетките и е разположен в региони на лакса хроматин), прави това в големи бримки, които излагат ДНК, за да бъде транскрибирана в транскрипционната машина, Други региони на геномната ДНК се колебаят между тези две състояния в зависимост от времето на развитие на организма, условията на растеж, клетъчната идентичност и др.
Други функции
За да изпълнят своя план за развитие, експресия и поддържане на клетките, геномите на еукариотните организми трябва фино да регулират кога и как трябва да се проявяват генетичните им възможности.
След това, започвайки от информацията, съхранявана в техните гени, те са разположени в ядрото в определени региони, които определят тяхното състояние на транскрипция.
Следователно можем да кажем, че друга от основните роли на нуклеозомите, чрез промените в хроматина, които помага да се дефинира, е организацията или архитектурата на ядрото, което ги съхранява.
Тази архитектура е наследствена и се филогенетично запазва благодарение на съществуването на тези модулни елементи на информационни опаковки.
Препратки
- Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of the Cell (6 -то издание). WW Norton & Company, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
- Brooker, RJ (2017). Генетика: анализ и принципи. McGraw-Hill Висше образование, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.
- Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Регулирана мобилност на нуклеозоми и хистонния код. Природна структурна и молекулярна биология, 11: 1037-43.
- Goodenough, UW (1984) Генетика. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, САЩ.
- Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Въведение в генетичния анализ (11 -то издание). Ню Йорк: WH Freeman, Ню Йорк, Ню Йорк, САЩ.