NUKLEOSOMI: TOIMINNOT, KOOSTUMUS JA RAKENNE - BIOLOGIA - 2026

Nukleosomin on peruspakkausmoduulin yksikön DNA eukaryoottisissa organismeissa. Siksi se on kromatiinin pienin puristuselementti.

Nukleosomi on rakennettu proteiinien oktaameeriksi, jota kutsutaan histoneiksi, tai rummunmuotoiseksi rakenteeksi, johon haavataan noin 140 nt DNA: ta, mikä tekee melkein kaksi täydellistä käännöstä.

Nukleosomirakenne

Lisäksi ylimääräisen 40-80 nt DNA: n katsotaan olevan osa nukleosomia, ja se on DNA-fraktio, joka sallii fysikaalisen jatkuvuuden yhden nukleosomin ja toisen välillä monimutkaisemmissa kromatiinirakenteissa (kuten 30 nm: n kromatiinikuitu).

Histonikoodi oli yksi ensimmäisistä molekyylin parhaiten ymmärrettävistä epigeneettisistä kontrollielementeistä.

ominaisuudet

Nukleosomit sallivat:

• DNA: n pakkaaminen sopimaan ytimen rajoitettuun tilaan.
• Ne määrittävät jaon ekspressoituneen kromatiinin (euchromatin) ja hiljaisen kromatiinin (heterochromatin) välillä.
• Ne järjestävät kaikki kromatiinit sekä spatiaalisesti että toiminnallisesti ytimessä.
• Ne edustavat kovalenttisten modifikaatioiden substraattia, jotka määrittävät proteiinien koodaavien geenien ekspression ja ekspressiotason ns. Histonikoodin kautta.

Koostumus ja rakenne

Pohjimmiltaan merkityksessä nukleosomit koostuvat DNA: sta ja proteiineista. DNA voi olla käytännöllisesti katsoen mikä tahansa kaksikaistainen DNA, joka on läsnä eukaryoottisolun ytimessä, kun taas kaikki nukleosomaaliset proteiinit kuuluvat proteiinien joukkoon, jota kutsutaan histoneiksi.

Histonit ovat pieniä proteiineja, joilla on suuri määrä emäksisiä aminohappotähteitä; Tämä tekee mahdolliseksi torjua DNA: n suuren negatiivisen varauksen ja luoda tehokkaan fyysisen vuorovaikutuksen molekyylien välillä saavuttamatta kovalenttisen kemiallisen sidoksen jäykkyyttä.

Histonit muodostavat rummun kaltaisen oktaameerin, joissa on kaksi kopiota tai monomeeri jokaisesta histonista H2A, H2B, H3 ja H4. DNA tekee melkein kaksi täydellistä käännöstä oktaameerin sivuilla ja jatkaa sitten fraktiolla linkkeri-DNA: sta, joka assosioituu histoniin H1, palatakseen antamaan kaksi täydellistä käännöstä toisessa histonioktameerissa.

Oktameerijoukko, assosioitunut DNA ja sitä vastaava linkkeri-DNA on nukleosomi.

Kromatiinin tiivistys

Genomi-DNA koostuu erittäin pitkistä molekyyleistä (yli metri ihmisissä, ottaen huomioon kaikki heidän kromosomit), jotka on tiivistettävä ja järjestettävä erittäin pienessä ytimessä.

Ensimmäinen vaihe tässä tiivistyksessä suoritetaan muodostamalla nukleosomeja. Pelkästään tällä vaiheella DNA tiivistetään noin 75 kertaa.

Tämä johtaa lineaariseen kuituun, josta seuraavat kromatiinin tiivistysasteet rakennetaan: 30 nm kuitu, silmukat ja silmukan silmukat.

Kun solu jakautuu joko mitoosin tai meioosin avulla, lopullinen tiivistymisaste on itse mitoottinen tai meioottinen kromosomi.

Histonikoodi ja geeniekspressio

Se tosiasia, että histonioktameerit ja DNA ovat vuorovaikutuksessa sähköstaattisesti, selittävät osittain niiden tehokasta assosiaatiota menettämättä joustavuutta, jota tarvitaan nukleosomien dynaamisten elementtien tekemiseksi kromatiinin tiivistämiseksi ja purkamiseksi.

Mutta on vielä yllättävämpi vuorovaikutuselementti: histonien N-päätypäät paljastetaan pienemmän ja inertin oktaameerin sisäosan ulkopuolella.

Nämä päät eivät ole vain fyysisesti vuorovaikutuksessa DNA: n kanssa, vaan myös läpi joukon kovalenttisia modifikaatioita, joista kromatiinin tiivistymisaste ja siihen liittyvän DNA: n ekspressio riippuvat.

Kovalenttien modifikaatioiden joukko, muun muassa tyypin ja lukumäärän suhteen, tunnetaan kollektiivisesti histonikoodina. Nämä modifikaatiot sisältävät arginiini- ja lysiinitähteiden fosforyloinnin, metyloinnin, asetyloinnin, ubikvitinoinnin ja sumoyloinnin histonien N-terminaalissa.

Jokainen muutos yhdessä muiden kanssa samassa molekyylissä tai muiden histonien, erityisesti histonien H3 tähteissä, määrää assosioituneen DNA: n ekspression tai ei, samoin kuin kromatiinin tiivistymisasteen.

Pääsääntönä on esimerkiksi nähty, että hypermetyloidut ja hypoasetyloidut histonit määrittävät, että liittyvää DNA: ta ei ekspressoida ja että kromatiini on läsnä tiiviimmässä tilassa (heterokromaattinen, ja siten inaktiivinen).

Sitä vastoin euchromatic DNA (vähemmän kompakti ja geneettisesti aktiivinen) liittyy kromatiiniin, jonka histonit ovat hyasetyloidut ja hypometyloituneet.

Eukromatiini vs heterokromatiini

Olemme jo nähneet, että histonien kovalenttisen modifikaation tila voi määrittää ekspressioasteen ja paikallisen kromatiinin tiivistymisen. Globaalilla tasolla kromatiinin tiivistymistä säädellään samoin nukleosomien histonien kovalenttisilla modifikaatioilla.

Esimerkiksi on osoitettu, että konstitutiivisella heterokromatiinilla (jota ei koskaan ekspressoida ja on tiheästi pakattu) on taipumus kiinnittyä ydinkerrokseen, jättäen ydinhuokoset vapaiksi.

Konstitutiivinen euchromatiini (joka ekspressoituu aina sellaisenaan, kuten se, joka sisältää geenit solun ylläpitämiseksi ja sijaitsee laksakromatiinin alueilla) puolestaan ​​tekee niin suurissa silmukoissa, jotka paljastavat transkriptioon transkriptoitavan DNA: n.

Muut genomisen DNA: n alueet värähtelevät näiden kahden tilan välillä organismin kehitysajan, kasvuolosuhteiden, soluidentiteetin jne. Mukaan.

Muut toiminnot

Eukaryoottisten organismien genomien on solujen kehitystä, ekspressiota ja ylläpitämistä koskevan suunnitelmansa toteuttamiseksi täytettävä hienosäädettävä milloin ja miten niiden geneettisten potentiaalien on ilmenevä.

Alkaen sitten niiden geeneihin tallennetuista tiedoista, ne sijaitsevat ytimessä tietyillä alueilla, jotka määrittävät niiden transkription tilan.

Voimme siis sanoa, että toinen nukleosomien perustavanlaatuisista rooleista kromatiinimuutosten kautta, joita se auttaa määrittelemään, on niitä ylläpitävän ytimen organisaatio tai arkkitehtuuri.

Tämä arkkitehtuuri on peritty ja on fylogeneettisesti säilynyt näiden modulaaristen elementtien olemassaolon ansiosta.

Viitteet

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, Yhdysvallat.
2. Brooker, RJ (2017). Genetiikka: Analyysi ja periaatteet. McGraw-Hillin korkeakoulutus, New York, NY, Yhdysvallat.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Säännelty nukleosomien liikkuvuus ja histonikoodi. Nature rakenne- ja molekyylibiologia, 11: 1037-43.
4. Goodenough, UW (1984), Genetiikka. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, Yhdysvallat.
5. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Johdatus Geneettinen analyysi (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, Yhdysvallat.