НУКЛЕОСОМА: ФУНКЦІЇ, СКЛАД І СТРУКТУРА - БІОЛОГІЯ - 2025

Нуклеосом є основним пакувальним блоком ДНК в еукаріотичних організмах. Тому це найменший стискаючий елемент для хроматину.

Нуклеосома побудована як октамер білків, званих гістонами, або барабанна структура, на яку намотується близько 140 нт ДНК, роблячи майже два повних витка.

Структура нуклеосоми

Крім того, додаткові 40-80 нт ДНК вважаються частиною нуклеосоми, і саме ДНК-фракція забезпечує фізичну безперервність між однією нуклеосомою та іншою у більш складних хроматинових структурах (таких як 30 нм хроматинового волокна).

Гістоновий код був одним з перших молекулярно найкращих елементів епігенетичного контролю.

Особливості

Нуклеосоми дозволяють:

• Упаковка ДНК, щоб поміститися у обмеженому просторі ядра.
• Вони визначають розподіл між хроматином, який експресується (еухроматин), і тихим хроматином (гетерохроматин).
• Вони організовують весь хроматин як просторово, так і функціонально в ядрі.
• Вони представляють субстрат ковалентних модифікацій, що визначають експресію та рівень експресії генів, кодують білки через так званий гістоновий код.

Склад і структура

У своєму основному сенсі нуклеосоми складаються з ДНК і білків. ДНК може бути практично будь-якою двосмуговою ДНК, присутньою в ядрі еукаріотичної клітини, тоді як нуклеосомні білки всі належать до набору білків, званих гістонами.

Гістони - це невеликі білки з великим навантаженням основних залишків амінокислот; Це дає змогу протидіяти високо негативному заряду ДНК та встановити ефективну фізичну взаємодію між двома молекулами, не досягаючи жорсткості ковалентного хімічного зв’язку.

Гістони утворюють барабанний октамер з двома копіями або мономерами кожного з гістонів H2A, H2B, H3 та H4. ДНК робить майже два повних повороту на сторонах октамера, а потім продовжує частину лінкерної ДНК, яка асоціюється з гістоном Н1, щоб повернутися, щоб отримати два повних витка на іншому октамері гістону.

Набір октамерів, асоційована ДНК та її відповідна лінкерна ДНК, є нуклеосомою.

Ущільнення хроматину

Геномна ДНК складається з надзвичайно довгих молекул (більше метра у випадку з людьми, враховуючи всі їх хромосоми), які повинні бути ущільнені та організовані в межах надзвичайно малого ядра.

Перший крок цього ущільнення здійснюється через утворення нуклеосом. Один лише цей крок ущільнюється ДНК приблизно в 75 разів.

Це породжує лінійне волокно, з якого будуються наступні рівні ущільнення хроматину: волокно 30 нм, петлі та петлі петель.

Коли клітина ділиться або мітозом, або мейозом, кінцевим ступенем ущільнення є сама мітотична або мейотична хромосома.

Гістоновий код та експресія генів

Той факт, що октамери гістонів та ДНК взаємодіють електростатично, пояснює частково їх ефективну асоціацію, не втрачаючи текучості, необхідної для того, щоб нуклеосоми стали динамічними елементами для ущільнення та розкладання хроматину.

Але є ще більш дивний елемент взаємодії: N-кінцеві кінці гістонів піддаються зовні внутрішньої частини більш компактного та інертного октамера.

Ці кінці не тільки фізично взаємодіють з ДНК, але також зазнають низку ковалентних модифікацій, від яких залежатиме ступінь ущільнення хроматину та експресія пов'язаної з ним ДНК.

Сукупність ковалентних модифікацій за типом та кількістю, крім усього іншого, у сукупності відома як код гістону. Ці модифікації включають фосфорилювання, метилювання, ацетилювання, повсеквітацію та сумоїлювання залишків аргініну та лізину на N-кінці гістонів.

Кожна зміна, разом з іншими в межах однієї молекули або в залишках інших гістонів, зокрема гістонів Н3, визначатиме експресію пов'язаної ДНК чи ні, а також ступінь ущільнення хроматину.

Як правило, було видно, наприклад, що гіперметильовані та гіпоацетильовані гістони визначають, що асоційована ДНК не експресується і що хроматин присутній у більш компактному стані (гетерохроматичний і, отже, неактивний).

Навпаки, евхроматична ДНК (менш компактна та генетично активна) асоціюється з хроматином, гістони якого гіперацетильовані та гіпометильовані.

Еухроматин проти гетерохроматину

Ми вже бачили, що статус ковалентної модифікації гістонів може визначати ступінь експресії та локальне ущільнення хроматину. На глобальних рівнях ущільнення хроматину також регулюється ковалентними модифікаціями гістонів у нуклеосомах.

Наприклад, було показано, що конститутивний гетерохроматин (який ніколи не експресується і щільно упакований), як правило, приєднується до ядерної пластини, залишаючи ядерні пори вільними.

Зі свого боку, конститутивний еухроматин (який завжди експресується, наприклад, такий, який включає гени для підтримки клітин, і розташований в областях в'ялого хроматину), робить це у великих петлях, які піддають ДНК для транскрипції в машину транскрипції .

Інші регіони геномної ДНК коливаються між цими двома станами залежно від часу розвитку організму, умов росту, клітинної ідентичності тощо.

Інші функції

Щоб виконати свій план розвитку, експресії та підтримки клітин, геноми еукаріотичних організмів повинні чітко регулювати, коли і як мають проявлятися їх генетичні потенціали.

Тоді, починаючи з інформації, що зберігається в їх генах, вони розташовані в ядрі в конкретних регіонах, що визначають їх стан транскрипції.

Отже, ми можемо сказати, що ще однією з основних ролей нуклеосом, завдяки хроматиновим змінам, які вони допомагають визначити, є організація або архітектура ядра, яке їх розміщує.

Ця архітектура успадковується і філогенетично зберігається завдяки існуванню цих модульних елементів інформаційної упаковки.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6- ^е видання). WW Norton & Company, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
2. Брукер, RJ (2017). Генетика: аналіз та принципи. Вища освіта McGraw-Hill, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). Регульована рухливість нуклеосом і гістоновий код. Структура природи та молекулярна біологія, 11: 1037-43.
4. Goodenough, UW (1984) Генетика. WB Saunders Co. Ltd, Pkiladelphia, PA, США.
5. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Вступ до генетичного аналізу (11- ^е видання). Нью-Йорк: WH Freeman, New York, NY, США.