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Konstruktion eines Nukleosoms aus Histone
Aufbau ist unvollständig dargestellt.

EIN Nukleosom ist ein Komplex von DNA und Histone die die Genexpression reguliert. Nukleosomen sind diejenigen mit a Elektronenmikroskop sichtbare "Perlen" in a Chromatinkette. Dies sind die Stellen, an denen sich der DNA-Strang um die Histone wickelt. Die Nukleosomen wiederum sind spiralförmig gewunden und bilden eine Struktur mit einem Durchmesser von 30 Nukleosomen pro Windung mit acht Nukleosomen pro Windung. nm.

Die Nukleosomen-Hypothese wurde erstmals 1974 von Don und Ada Olins . aufgestellt^[1] und Roger Kornberg^[2][3] und war ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Genexpression in Eukaryoten.

Das Nukleosom im Kern

Nukleosomen dienen zwei wichtigen Zwecken in der Kern. Zunächst sorgen sie durch die Bildung des kleinsten Konglomerats (Spiralisation) dafür, dass die etwa 2 Meter lange doppelsträngige DNA (dsDNA) in den Zellkern passt. Außerdem sind sie wichtig für das Funktionieren der Transkription, indem sichergestellt wird, dass die RNA-Polymerase heftet sich nicht an Promoter von Genen, die in diesem Moment nicht für die Translation benötigt werden. Durch die Verschiebung eines Nukleosoms durch bestimmte Enzyme können neue Gene abgelesen werden. Nukleosomen sind auch die Hauptträger von epigenetisch erbliche Informationen.

Struktur des Kerns des Nukleosoms

Links ist die DNA (weiße Schlange) eng mit dem inaktiven Kern verbunden. Die Bindungen bestehen aus Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatischen Wechselwirkungen (schwarze Punkte; hier vergrößert ist eine Phosphat-Argin-Bindung zwischen der DNA und dem Histon, HIS). Histonmethyltransferasen (HMTs) und Histonacetyltransferasen (HATs) sind Enzyme, die posttranslational (nach Übersetzung kann wechseln; ihre Gegenstücke sind die Histondeacetylasen (HDACs) und Histondemethylasen. stark Acetylierung und (durch Öffnen der Nukleosomenstruktur) wird eine verstärkte Genexpression durch HDAC-Inhibitoren wie Trichostatin A (TSA) vermittelt. Dieses Prinzip wird auch auf einige Krebstherapien angewendet. In der Zelle wird eine Veränderung eines bestimmten Aminosäurerestes streng reguliert und geht mit analogen Veränderungen der DNA-Basen einher, siehe Epigenetik.

Das Nukleosom umfasst mit einigen Variationen und Ausnahmen etwa 200 Basenpaare (bp) des eukaryontischen Chromatins. Der Kern des Nukleosoms (im Bild blau gefärbt), der einen Durchmesser von 11 . hat nm und ist 5 nm hoch, umfasst ungefähr 147 bp dsDNA. Diese werden in 1,67 Drehungen gegen den Uhrzeigersinn um einen Kern von . gewickelt Histonprotein. Das andere, etwa 10-80 bp, des Nukleosoms besteht aus Verbindungs-DNA, freier DNA, die die Kerne voneinander trennt. Formal besteht das Nukleosom aus dem Kern und einseitig der verbindenden DNA. Oft wird jedoch nur der Kern als Nukleosom bezeichnet.

Die meisten wichtigen Eigenschaften waren bereits 1997 mit der Veröffentlichung der Struktur des Nukleosoms bekannt, die mit einer Auflösung von 2,8 bestimmt wurde.^[4]. Die Kristallstruktur des Nukleosoms wird mit Röntgenbeugung bei einer Auflösung von 1,9 EIN 2002 gegründet.^[5].

Jeder der vier Histone (H2A, H2B, H3 und H4) haben eine sehr ähnliche Struktur bestehend aus drei Alpha-Helices, die durch Schleifen voneinander getrennt sind. In einer Lösung paaren sich Histone mit identischen Kopien und werden Dimere oder gefaltete Histone-Paare genannt. Bei den Histonen H3 und H4 bilden die Dimere Tetramere durch Wasserstoffbrücken. Bei der Bildung eines Nukleosomkerns bindet das H3-H4-Tetramer zuerst an die dsDNA, die dann mit zwei separaten H2A-H2B-Dimeren bindet, die gleichzeitig an das Tetramer binden.

Das Histonoctamer interagiert mit der umhüllten dsDNA ungefähr alle 10 bp. Jeder der vier Histone hat drei Interaktionsregionen mit der dsDNA. Die zentrale Wechselwirkungsstelle jedes Dimers ist durch eine -Helix jedes Histons im Dimer wasserstoffgebunden, die auf eine einzelne Phosphatgruppe auf der dsDNA zeigt. Auf beiden Seiten, in Positionen von 10 bp auseinander, sind beide Histone mit anderen einsamen Phosphatgruppen Wasserstoffbrückenbindungen. Zwei weitere Interaktionen von insgesamt 14 treten durch die Interaktion der Schwänze jedes der H3-Histone auf. Diese treten an den Eintritts- und Austrittspunkten der dsDNA auf, die um das Nukleosom gewickelt ist, und helfen, diese Stellen am Nukleosomkern zu fixieren.

Die Biegung der Superhelix tritt hauptsächlich auf, wenn die kleine oder große Furche dem Oktamer zugewandt ist, und erfolgt daher in Schritten von ungefähr 5 bp. Das Biegen um den Oktamer an der großen Rille ist einfach, während das Biegen an der kleinen Rille mit den Seitenketten von . erfolgt Arginin die in der Nut stecken. Beim H3-H4-Tetramer ist dies einfach, bei den H2A/H2B-Dimer-Regionen verläuft es jedoch mit einem Knick.^[6]

Viele Proteine ​​binden nur an bestimmte DNA-Sequenzen (DNA-Sites). Obwohl Nukleosomen eine Vorliebe für die Bindung an bestimmte DNA-Sequenzen haben, können sie an fast jede DNA-Sequenz binden. Es stellt sich heraus, dass Wassermoleküle die Zahl der Histon-DNA-Wechselwirkungen ungefähr verdoppeln und zwischen Atomen sitzen, die normalerweise zu weit voneinander entfernt sind, um Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.^[5] Aufgrund dieser Flexibilität durch die Wassermoleküle kann ein Histonoctamer eine sehr große Vielfalt an DNA-Sequenzen um sich selbst wickeln.

Aufbau und Zweck der Histon-Schwänze

Das Ende eines Histonproteins hat einen Schwanz aus Aminosäureresten einer Länge, die von der Art des Histons abhängt. Der Zweck der Schwänze ist derzeit noch nicht vollständig verstanden, aber sie scheinen zur Stabilität des Nukleosoms beizutragen^[7] und als Andockstelle für andere Proteine. Die Struktur des Schwanzes kann durch Enzyme im Zellkern leicht verändert werden und dies kann eine Rolle bei der Bildung von Strukturen höherer Ordnung des Schwanzes spielen. Chromatin.^[8]

Nukleosomenbildung in vitro

Nukleosomen können in vitro werden hergestellt, indem entweder gereinigtes natürliches oder rekombinantHistone oder unter Verwendung ihrer verschiedenen alternativen Strukturen.^[9]

Die Standardtechnik verwendet SalzDialyse und beruht auf der Tatsache, dass ein H3-H4-Tetramer bei höheren Salzkonzentrationen an die DNA des H2A/H2B-Dimers bindet. Eine Reaktion von vier Kernhistonen mit einer nackten DNAVorlage (DNA-Template) wird zuerst bei 4°C und einer Salzkonzentration von 2 . initiiertich. Diese Salzkonzentration wird durch manuelles Austauschen des Puffers oder durch Einpumpen eines niedrigeren Salzpuffers bei gleichzeitigem Abpumpen der gleichen Menge allmählich reduziert. Durch Verringern der Salzkonzentration lösen sich ungebundene Tetramere auf und lagern sich dann an die DNA-Matrize an. Bei weiterer Verringerung der Salzkonzentration binden die H2A/H2B-Dimere an das Tetramer am Templat.