NUKLEOZOM: FUNKCE, SLOŽENÍ A STRUKTURA - BIOLOGIE - 2025

Nucleosome je základní balicí jednotka DNA v eukaryotických organismech. Jedná se tedy o nejmenší kompresní prvek pro chromatin.

Nukleozom je postaven jako oktamer proteinů nazývaných histony nebo struktura ve tvaru bubnu, na které je navinuto asi 140 nt DNA, což vede k téměř dvěma úplným zatáčkám.

Struktura jader

Kromě toho je dalších 40-80 nt DNA považováno za součást nukleosomu a je to frakce DNA, která umožňuje fyzickou kontinuitu mezi jedním nukleosomem a druhým v komplexnějších chromatinových strukturách (jako je například 30 nm chromatinové vlákno).

Histonový kód byl jedním z prvních molekulárně nejlépe pochopených epigenetických kontrolních prvků.

Funkce

Nukleozomy umožňují:

• Balení DNA, aby se vešly do omezeného prostoru jádra.
• Určují rozdělení mezi chromatinem, který je exprimován (euchromatin), a tichým chromatinem (heterochromatin).
• Organizují veškerý chromatin 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

V nejzákladnějším smyslu jsou nukleosomy tvořeny DNA a proteiny. DNA může být prakticky jakákoli dvojpásmová DNA přítomná v jádru eukaryotické buňky, zatímco nukleosomální proteiny patří do souboru proteinů nazývaných histony.

Histony jsou malé proteiny s vysokým obsahem bazických aminokyselinových zbytků; To umožňuje působit proti vysokému negativnímu náboji DNA a vytvořit účinnou fyzikální interakci mezi dvěma molekulami, aniž by bylo dosaženo rigidity kovalentní chemické vazby.

Histony tvoří bubnový oktamer s dvěma kopiemi nebo monomery každého z histonů H2A, H2B, H3 a H4. DNA provede téměř dvě úplné zákruty na stranách oktameru a potom pokračuje frakcí linkerové DNA, která se spojuje s histonem H1, aby se vrátila, aby poskytla dvě úplné zákruty na dalším histonovém oktameru.

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

Zhutňování chromatinu

Genomická DNA je tvořena extrémně dlouhými molekulami (více než metr v případě lidí s ohledem na všechny jejich chromozomy), které musí být zhutněny a uspořádány v extrémně malém jádru.

První krok v tomto zhutnění se provádí vytvořením nukleosomů. Pouze s tímto krokem je DNA zhutněna asi 75krát.

To vede ke vzniku lineárního vlákna, ze kterého se vytvářejí následující úrovně zhutňování chromatinu: vlákno 30 nm, smyčky a smyčky smyček.

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

Histonový kód a genová exprese

Skutečnost, že oktamery histonu a DNA interagují elektrostaticky, částečně vysvětluje jejich účinné spojení, aniž by došlo ke ztrátě tekutosti potřebné k tomu, aby se nukleosomy staly dynamickými prvky pro zhutňování a dekompaktaci chromatinu.

Existuje však ještě překvapivější interakční prvek: N-terminální konce histonů jsou exponovány mimo vnitřek kompaktnějšího a inertnějšího oktameru.

Tyto konce nejen fyzicky interagují s DNA, ale také procházejí řadou kovalentních modifikací, na kterých bude záviset stupeň zhutnění chromatinu a exprese přidružené DNA.

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

Každá změna, společně s ostatními v téže molekule nebo ve zbytcích jiných histonů, zejména histonů H3, určí expresi nebo nepřítomnost asociované DNA, jakož i stupeň zhutnění chromatinu.

Obecně se například zjistilo, že hypermethylované a hypoacetylované histony určují, že asociovaná DNA není exprimována a že chromatin je přítomen v kompaktnějším stavu (heterochromatický, a proto neaktivní).

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

Euchromatin vs. heterochromatin

Už jsme viděli, že stav kovalentní modifikace histonů může určit stupeň exprese a lokální zhutnění chromatinu. Na globální úrovni je zhutňování chromatinu rovněž regulováno kovalentními modifikacemi histonů v nukleosomech.

Ukázalo se například, že konstitutivní heterochromatin (který se nikdy neexprimuje a je hustě zabalený) má tendenci se navazovat na jadernou laminu, přičemž jaderné póry zůstávají volné.

Konstitutivní euchromatin (který je vždy exprimován, jako je ten, který obsahuje geny pro udržování buněk a je umístěn v regionech laxního chromatinu), to dělá ve velkých smyčkách, které vystavují DNA, která má být přepsána, do transkripčního aparátu.

Další oblasti genomické DNA oscilují mezi těmito dvěma stavy v závislosti na době vývoje organismu, podmínkách růstu, buněčné identitě atd.

Další funkce

Aby se splnil jejich plán rozvoje, exprese a udržování buněk, musí genomy eukaryotických organismů přesně regulovat, kdy a jak se musí projevit jejich genetické potenciály.

Počínaje informacemi uloženými v jejich genech jsou tyto umístěny v jádru v konkrétních oblastech, které určují jejich transkripční stav.

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

Tato architektura je zděděná a je fylogeneticky zachována díky existenci těchto modulárních prvků informačního balení.

Reference

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). Genetika: analýza a principy. McGraw-Hill Higher Education, New York, NY, USA.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Regulovaná mobilita nukleosomů a histonový kód. Nature Struct & & Molecular Biology, 11: 1037-43.
4. Goodenough, UW (1984) Genetics. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, USA.
5. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Úvod do genetické analýze (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.