- Характеристики
- Состав и структура
- Уплотнение хроматина
- Гистоновый код и экспрессия генов
- Эухроматин против гетерохроматина
- Прочие функции
- Ссылки
Нуклеосом является основным упаковочным блоком ДНК в эукариотических организмах. Следовательно, это наименьший элемент сжатия для хроматина.
Нуклеосома построена в виде октамера белков, называемых гистонами, или барабанной структуры, на которой намотано около 140 нуклеотидов ДНК, делающих почти два полных витка.
Структура нуклеосом
Кроме того, дополнительные 40-80 нуклеотидов ДНК считаются частью нуклеосомы, и именно фракция ДНК обеспечивает физическую непрерывность между одной нуклеосомой и другой в более сложных структурах хроматина (таких как 30 нм хроматиновые волокна).
Гистоновый код был одним из первых молекулярно наиболее понятных эпигенетических контрольных элементов.
Характеристики
Нуклеосомы позволяют:
- Упаковка ДНК умещается в ограниченном пространстве ядра.
- Они определяют разделение между экспрессируемым хроматином (эухроматин) и молчащим хроматином (гетерохроматин).
- Они организуют весь хроматин как пространственно, так и функционально в ядре.
- Они представляют собой субстрат ковалентных модификаций, которые определяют экспрессию и уровень экспрессии генов, которые кодируют белки посредством так называемого гистонового кода.
Состав и структура
В самом основном смысле нуклеосомы состоят из ДНК и белков. ДНК может быть практически любой двухполосной ДНК, присутствующей в ядре эукариотической клетки, в то время как все нуклеосомные белки принадлежат к набору белков, называемых гистонами.
Гистоны - это небольшие белки с высоким содержанием основных аминокислотных остатков; Это позволяет противодействовать высокому отрицательному заряду ДНК и устанавливать эффективное физическое взаимодействие между двумя молекулами без достижения жесткости ковалентной химической связи.
Гистоны образуют барабанный октамер с двумя копиями или мономерами каждого из гистонов H2A, H2B, H3 и H4. ДНК делает почти два полных оборота по сторонам октамера, а затем продолжает фракцию линкерной ДНК, которая ассоциируется с гистоном H1, чтобы вернуться, чтобы дать два полных оборота на другом октамере гистона.
Набор октамеров, ассоциированная ДНК и соответствующая линкерная ДНК представляют собой нуклеосому.
Уплотнение хроматина
Геномная ДНК состоит из чрезвычайно длинных молекул (более метра в случае людей, учитывая все их хромосомы), которые должны быть уплотнены и организованы в чрезвычайно маленьком ядре.
Первый шаг в этом уплотнении осуществляется путем образования нуклеосом. Только на этом этапе ДНК уплотняется примерно 75 раз.
Это дает начало линейному волокну, из которого строятся последующие уровни уплотнения хроматина: 30 нм волокно, петли и петли петель.
Когда клетка делится путем митоза или мейоза, конечной степенью уплотнения является сама митотическая или мейотическая хромосома, соответственно.
Гистоновый код и экспрессия генов
Тот факт, что октамеры гистонов и ДНК взаимодействуют электростатически, частично объясняет их эффективную ассоциацию без потери текучести, необходимой для создания динамических элементов нуклеосом для уплотнения и разложения хроматина.
Но есть еще более удивительный элемент взаимодействия: N-концевые концы гистонов обнажены за пределами внутренней части более компактного и инертного октамера.
Эти концы не только физически взаимодействуют с ДНК, но также претерпевают серию ковалентных модификаций, от которых будет зависеть степень уплотнения хроматина и экспрессия связанной ДНК.
Набор ковалентных модификаций, в том числе по типу и количеству, в совокупности известен как гистоновый код. Эти модификации включают фосфорилирование, метилирование, ацетилирование, убиквитинирование и сумоилирование остатков аргинина и лизина на N-концах гистонов.
Каждое изменение вместе с другими изменениями в той же молекуле или в остатках других гистонов, в частности гистонов H3, будет определять экспрессию или нет ассоциированной ДНК, а также степень уплотнения хроматина.
Как правило, было замечено, например, что гиперметилированные и гипоацетилированные гистоны определяют, что ассоциированная ДНК не экспрессируется и что хроматин присутствует в более компактном состоянии (гетерохроматическом и, следовательно, неактивном).
Напротив, эухроматическая ДНК (менее компактная и генетически активная) связана с хроматином, гистоны которого гиперацетилированы и гипометилированы.
Эухроматин против гетерохроматина
Мы уже видели, что статус ковалентной модификации гистонов может определять степень экспрессии и локальное уплотнение хроматина. На глобальном уровне уплотнение хроматина также регулируется ковалентными модификациями гистонов в нуклеосомах.
Было показано, например, что конститутивный гетерохроматин (который никогда не экспрессируется и плотно упакован) имеет тенденцию прикрепляться к ядерной пластинке, оставляя ядерные поры свободными.
Со своей стороны, конститутивный эухроматин (который всегда экспрессируется, например, тот, который включает гены для поддержания клеток, и расположен в областях слабого хроматина), делает это в больших петлях, которые открывают ДНК для транскрипции в транскрипционный аппарат. .
Другие участки геномной ДНК колеблются между этими двумя состояниями в зависимости от времени развития организма, условий роста, клеточной идентичности и т. Д.
Прочие функции
Чтобы выполнить свой план развития, экспрессии и поддержания клеток, геномы эукариотических организмов должны точно регулировать, когда и как должны проявляться их генетические возможности.
Исходя из информации, хранящейся в их генах, они располагаются в ядре в определенных областях, которые определяют их транскрипционное состояние.
Таким образом, мы можем сказать, что еще одна фундаментальная роль нуклеосом через изменения хроматина, которые они помогают определить, - это организация или архитектура ядра, в котором они находятся.
Эта архитектура унаследована и филогенетически сохраняется благодаря существованию этих модульных элементов информационной упаковки.
Ссылки
- Альбертс, Б., Джонсон, А.Д., Льюис, Дж., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К., Уолтер, П. (2014) Молекулярная биология клетки (6- е издание). WW Norton & Company, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
- Брукер, Р.Дж. (2017). Генетика: анализ и принципы. Высшее образование Макгро-Хилл, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
- Косгроув, М.С., Боке, Д.Д., Вольбергер, К. (2004). Регулируемая подвижность нуклеосом и гистоновый код. Структурная и молекулярная биология природы, 11: 1037-43.
- Гуденаф, UW (1984) Генетика. WB Saunders Co. Ltd, Пкиладельфия, Пенсильвания, США.
- Гриффитс, AJF, Весслер, Р., Кэрролл, С.Б., Добли, Дж. (2015). Введение в генетический анализ (11- е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.