NUKLEOZOM: FUNKCIJE, SESTAVA IN STRUKTURA - BIOLOGIJA - 2026

Nukleosomom je osnovna Embalažna enota DNA v evkariontskih organizmih. Zato je najmanjši kompresijski element za kromatin.

Nukleosom je zgrajen kot oktamer beljakovin, imenovanih histoni, ali bobnasta struktura, na kateri je navita približno 140 nt DNK, kar naredi skoraj dva popolna obrata.

Nukleozomska struktura

Poleg tega velja, da je dodatnih 40-80 nt DNK del nukleozoma, in del DNK omogoča fizično kontinuiteto med enim nukleozomom in drugim v bolj zapletenih kromatinskih strukturah (kot je 30 nm kromatinsko vlakno).

Koda histona je bila eden prvih molekulsko najbolj razumljivih epigenetskih kontrolnih elementov.

Lastnosti

Nukleozomi omogočajo:

• Embalaža DNK, ki se prilega omejenemu prostoru jedra.
• Določajo particijo med kromatinom, ki je izražen (euchromatin), in tihim kromatinom (heterokromatin).
• Vse kromatin organizirajo tako v prostorskem kot funkcionalnem prostoru.
• Predstavljajo substrat kovalentnih modifikacij, ki določajo ekspresijo in raven izražanja genov, ki kodirajo proteine ​​s tako imenovanim histonskim kodom.

Sestava in struktura

V svojem najosnovnejšem pomenu so nukleosomi sestavljeni iz DNK in beljakovin. DNK je lahko tako rekoč vsaka dvopasovna DNK, ki je prisotna v jedru evkariontske celice, medtem ko vsi nukleozomski proteini spadajo v skupino proteinov, imenovanih histoni.

Histoni so majhni proteini z veliko obremenitvijo osnovnih ostankov aminokislin; To omogoča preprečevanje visokega negativnega naboja DNK in vzpostavitev učinkovite fizične interakcije med dvema molekulama, ne da bi dosegli togost kovalentne kemične vezi.

Histoni tvorijo bobnast oktamer z dvema kopijama ali monomerami vsakega od histonov H2A, H2B, H3 in H4. DNK naredi skoraj dva popolna obrata na straneh oktamerja, nato pa nadaljuje z delom povezovalne DNK, ki je povezan s histonom H1, da se vrne, da bi dva popolna obrata na drugem histonskem oktamerju.

Nabor oktamerja, povezana DNK in njegova pripadajoča vezavna DNK je nukleosom.

Zbijanje kromatina

Genomsko DNK sestavljajo izjemno dolge molekule (več kot meter pri ljudeh, če upoštevamo vse njihove kromosome), ki jih je treba kompaktirati in organizirati znotraj izjemno majhnega jedra.

Prvi korak tega zbijanja se izvede s tvorbo nukleosomov. S tem korakom se DNK zgosti približno 75-krat.

Tako nastane linearno vlakno, iz katerega so zgrajene naslednje stopnje zbijanja kromatina: 30 nm vlakna, zanke in zanke zank.

Ko se celica deli, bodisi z mitozo bodisi z mejozo, je končna stopnja zbijanja sam mitotski oziroma mejotski kromosom.

Histonska koda in izražanje genov

Dejstvo, da histonski oktamerji in DNK elektrostatično delujejo, deloma razloži njihovo učinkovito povezavo, ne da bi pri tem izgubili fluidnost, potrebno za nukleosom, da postanejo dinamični elementi za stiskanje in razpadanje kromatina.

Vendar obstaja še bolj presenetljiv interakcijski element: N-končni konci histonov so izpostavljeni zunaj notranjosti bolj kompaktnega in inertnega oktamerja.

Ti konci ne samo, da fizično delujejo z DNK, temveč so tudi podvrženi vrsti kovalentnih modifikacij, od katerih bosta odvisni stopnja zbijanja kromatina in izražanje povezane DNA.

Nabor kovalentnih sprememb, po vrsti in številu, med drugim skupno imenujemo histonska koda. Te modifikacije vključujejo fosforilacijo, metilacijo, acetilacijo, ubikvitacijo in sumoilacijo ostankov arginina in lizina na N-termininih histonov.

Vsaka sprememba, skupaj z drugimi znotraj iste molekule ali v ostankih drugih histonov, zlasti histonov H3, bo določala izražanje povezane DNA ali ne in stopnjo stiskanja kromatina.

Na splošno velja, da na primer hipermetilirani in hipoacetilirani histoni določajo, da povezana DNK ni izražena in da je kromatin prisoten v bolj kompaktnem stanju (heterokromatičen in zato neaktiven).

V nasprotju s tem je evromatična DNK (manj kompaktna in gensko aktivna) povezana s kromatinom, katerega histoni so hiperacetilirani in hipometilirani.

Eukromatin vs heterokromatin

Videli smo že, da stanje kovalentne modifikacije histonov lahko določi stopnjo izraženosti in lokalno zgoščanje kromatina. Na svetovni ravni se tudi zbijanje kromatina uravnava s kovalentnimi modifikacijami histonov v nukleosomih.

Na primer, pokazalo se je, da se konstitutivni heterokromatin (ki se nikoli ne izrazi in je močno napolnjen) navadno pritrdi na jedrsko plast, zaradi česar jedrske pore ostanejo proste.

Sestavni evromatin (ki je vedno izražen, kot je tisti, ki vključuje vzdrževalne celice genov in je lociran v regijah laksnega kromatina), to počne v velikih zankah, ki izpostavljajo, da se DNK prepisuje v stroje za prepisovanje .

Druga območja genomske DNK nihajo med tema dvema državama, odvisno od razvojnega časa organizma, pogojev rasti, celične identitete itd.

Druge funkcije

Da bi izpolnili svoj načrt za razvoj, izražanje in vzdrževanje celic, morajo genomi evkariontskih organizmov natančno urediti, kdaj in kako se morajo njihovi genetski potenciali manifestirati.

Nato se iz informacij, shranjenih v njihovih genih, nahajajo v jedru v določenih regijah, ki določajo njihovo stanje transkripcije.

Zato lahko rečemo, da je druga od temeljnih vlog nukleozomov, s spremembami kromatina, ki jih pomaga definirati, organizacija ali arhitektura jedra, ki je v njih.

Ta arhitektura je podedovana in je filogenetsko ohranjena zahvaljujoč obstoju teh modularnih elementov informacijske embalaže.

Reference

1. Alberts, B. Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molekularna Biologija celice (6 ^th Edition). WW Norton & Company, New York, NY, ZDA.
2. Brooker, RJ (2017). Genetika: analiza in načela. McGraw-Hill High Education, New York, NY, ZDA.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Regulirana nukleozomska mobilnost in histonska koda. Naravna strukturna in molekularna biologija, 11: 1037–43.
4. Goodenough, UW (1984) Genetika. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, ZDA.
5. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Uvod v genetsko analizo (11 ^th ed.). New York: WH Freeman, New York, NY, ZDA.