Nukleosomy — co to jest: budowa, funkcje i rola w organizacji chromatyny
Nukleosomy: budowa, funkcje i rola w organizacji chromatyny — jak DNA owija się wokół histonów i wpływa na regulację genów.
Nukleosomy są elementami składowymi chromosomów. Składają się one z segmentu DNA owiniętego wokół rdzenia z białka histonowego.
Najpierw DNA i białko tworzą chromatynę. Następnie chromatyna jest upakowywana w nukleosomy. Nukleosomy są następnie pakowane, aby utworzyć chromosom. Pakiety robią trzy rzeczy: chromosomy funkcjonują w podziale komórki; bardzo długie DNA jest zawijane w krótszy pakiet; a białka regulują działanie genów w komórkach.
Budowa nukleosomu
Każdy nukleosom składa się z rdzenia białkowego zwanego oktamerem histonowym oraz odcinka DNA owiniętego wokół tego rdzenia. Oktamer zbudowany jest z dwóch kopii czterech podstawowych histonów: H2A, H2B, H3 i H4. Około 147 par zasad DNA owija się wokół rdzenia w przybliżeniu 1,65 razy. Między kolejnymi nukleosomami znajduje się tzw. DNA łączące (linker DNA), którego długość jest zmienna (zwykle kilkadziesiąt par zasad); do tego odcinka przyczepia się histon H1, stabilizujący strukturę.
W skali wyższego upakowania nukleosomy tworzą tzw. „koraliki na strunie” (fibra 10 nm), które dalej mogą się organizować w gęstsze struktury (dawniej opisywana jako fibra 30 nm — aktualne badania sugerują bardziej złożone i zmienne układy wyższego rzędu). W czasie mitozy chromatyna jest dodatkowo zwijana i pakowana przy udziale białek takich jak kondensyna, tworząc wyraźne chromosomy metafazowe.
Funkcje nukleosomów
- Upakowanie DNA: Nukleosomy pozwalają skondensować bardzo długie cząsteczki DNA do przestrzeni jądra komórkowego.
- Regulacja dostępu do informacji genetycznej: Pozycjonowanie nukleosomów i modyfikacje histonów wpływają na to, które fragmenty DNA są dostępne dla polimeraz, czynników transkrypcyjnych i innych maszyn molekularnych.
- Utrzymanie stabilności genomu: Poprzez organizację chromatyny nukleosomy biorą udział w kontroli replikacji DNA, naprawie uszkodzeń i segregacji chromosomów podczas podziału komórki.
- Epigenetyczne przekazywanie informacji: Modyfikacje chemiczne histonów (np. acetylacja, metylacja, fosforylacja) oraz obecność wariantów histonowych (np. H3.3, H2A.Z, CENP-A) tworzą kod epigenetyczny, który wpływa na aktywność genów i może być przekazywany komórkowo.
Mechanizmy regulacji
Nukleosomy nie są statyczne — ich pozycję i skład kontrolują specjalne mechanizmy:
- Remodelery chromatyny: Kompleksy takie jak SWI/SNF, ISWI, CHD czy INO80 przesuwają, zdejmują lub rekonfigurowują nukleosomy, ułatwiając lub utrudniając dostęp do DNA.
- Modyfikacje histonów: Grupy chemiczne dodawane do ogonów histonowych (np. acetyl, metyl) zmieniają oddziaływania między histonami a DNA oraz tworzą miejsca rozpoznawane przez białka czytające „znaki” epigenetyczne.
- Histonowe czapeczki i chaperony: Specjalne białka (np. CAF-1, ASF1, NAP1) pomagają w montażu i demontażu nukleosomów podczas replikacji i transkrypcji.
Znaczenie biologiczne i medyczne
Zaburzenia w strukturze nukleosomów lub w mechanizmach ich regulacji mają poważne konsekwencje: mogą prowadzić do nieprawidłowej ekspresji genów, zaburzeń rozwojowych czy chorób nowotworowych. Mutacje w histonach, nieprawidłowe wzorce ich modyfikacji oraz defekty w remodelerach chromatyny są powiązane z różnymi schorzeniami, dlatego badania nad nukleosomami mają ważne zastosowania diagnostyczne i terapeutyczne.
Metody badawcze
Typowe techniki używane do badania nukleosomów to m.in. trawienie chromatyny nukleazami (np. MNase) pozwalające mapować pozycje nukleosomów oraz ChIP-seq (immunoprecypitacja chromatyny z sekwencjonowaniem), służące analizie modyfikacji histonów i położenia wariantów histonowych. Nowe metody mikroskopowe i sekwencjonowania pojedynczych cząsteczek dostarczają coraz bardziej szczegółowych opisów dynamiki chromatyny.
Podsumowanie: Nukleosomy to podstawowe jednostki organizacyjne chromatyny, dzięki którym DNA jest skondensowane, ale jednocześnie dostępne do odczytu i naprawy. Ich budowa, pozycjonowanie i modyfikacje decydują o wielu aspektach funkcjonowania genomu i są kluczowe dla prawidłowego przebiegu procesów komórkowych.
Struktura nukleosomu
Szczegóły
Nukleosomy tworzą podstawowe powtarzające się jednostki chromatyny eukariotycznej. Dzięki temu duże eukariotyczne genomy są upakowane w jądrze i mogą być kontrolowane.
W komórkach ssaków około dwóch metrów liniowego DNA musi być upakowane w jądrze o średnicy około 10 µm. Nukleosomy są składane, w serii struktur wyższego rzędu, w celu utworzenia chromosomu. Fałdowanie to zagęszcza DNA i dodaje warstwę kontroli regulacyjnej. Kontrola ta zapewnia prawidłową ekspresję genów.
Uważa się, że nukleosomy przenoszą dziedziczoną epigenetycznie informację w postaci modyfikacji histonów rdzenia. Informacje te mogą być przekazywane komórkom potomnym, ale w komórkach zarodkowych są one zazwyczaj wymazywane podczas mejozy.
Hipoteza nukleosomu zaproponowana przez Dona i Adę Olinsów oraz Rogera Kornberga w 1974 r. była wielkim krokiem w kierunku zrozumienia ekspresji genów eukariotycznych. Za to i inne odkrycia Kornberg otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii (2006).
Dynamika nukleosomów
Chociaż nukleosom jest bardzo stabilnym kompleksem białko-DNA, nie jest on statyczny. Ulega on pewnym strukturalnym przemianom, takim jak przesuwanie się nukleosomów i odsłanianie miejsc DNA. Nukleosomy mogą hamować lub ułatwiać transkrypcję.
Od momentu ich odkrycia w połowie lat 60-tych XX wieku, zmiany histonów były uważane za wpływające na transkrypcję.
Wykazano, że niektóre modyfikacje są skorelowane z wyciszaniem genów, inne wydają się być skorelowane z ich aktywacją. Informacja przechowywana w ten sposób jest uważana za epigenetyczną: nie jest zakodowana w DNA, ale mimo to jest dziedziczona przez komórki potomne. Utrzymanie określonego stanu genu jest często niezbędne do różnicowania się komórek.
Przeszukaj encyklopedię