Нуклеосома это в биологии кратко
Обновлено: 02.07.2024
В течение клеточного цикла нуклеосомы временно отсоединяются от ДНК только при репликации, также они могут быть устранены на участках, транскрибируются в определенный момент.
История исследования
Первые данные об особенностях компактизации ДНК в ядре эукариот были получены Морисом Уилкинсом в 1960-х годах. Он проводил рентгеноструктурный анализ хроматина и выяснил, что в нем имеются определенные повторяющиеся элементы, которые не наблюдаются ни в чистых препаратах ДНК, ни гистонов. С этого Уилкинс сделал вывод, что гистоны обеспечивают упорядоченную структурную организацию ДНК.
Первые данные электронной микроскопии
A eukaryotic chromosome made out of self-assembling 70 Å units, which could perhaps be made to crystallize, would necessitate rewriting our textbooks on cytology and genetics! I have never read such a naive paper purporting to be of such fundamental significance. Definitely it should not be published anywhere!
Микрография Вудкока были опубликованы только в 1976 году.
Фрагментация ДНК хроматина под действием нуклеаз
Примерно в то же время были получены другие результаты, указывающие на существование в хроматина повторяющейся структуры, и подтверждали, что данные Олинсив были не просто артефактами приготовления микроперпаратив. Дин Гьюиш (англ. Dean Hewish) и Ли Бергойна (англ. Leigh Burgoyne) открыли в ядре гепатоцитов крыс нуклеазу, способную расщеплять ДНК в нитях хроматина. В одном из экспериментов после обработки хроматина этим ферментом, они выделили частично деградированную ДНК и разделили ее методом гель-электрофореза. Выяснилось, что кратчайшие фрагменты ДНК имели длину 200, а более длинные были кратны 200 — 400, 600, 800 и так далее. Поскольку расщепление этой же нуклеазы ДНК чистой от белков не давало такой картины, Гьюиш и Бергойна сделали выводы, что белки хроматина образуют структуры вдоль ДНК, повторяющиеся каждые 200 п.н., и между этими структурами ДНК является чувствительной к действию нуклеаз.
Чтобы подтвердить взаимосвязь между продуктами частичной деградации ДНК длиной 200 п.н. и сферическими частицами, обнаруженными с помощью электронной микроскопии, использовалась комбинация обоих методов. Нити хроматина сначала обрабатывали нуклеазы микрококков, полученные фрагменты разделяли по массе путем дифференциального центрифугирования. Каждую фракцию микроскопувалы, а также выделяли из нее ДНК и определяли ее размер с помощью гель-электрофореза. Выяснилось, что самая легкая фракция содержала отдельные сферические частицы и фрагменты ДНК длиной ~ 200 п.н., следующая — по две соединенные частицы и ДНК длиной ~ 400 п.н. и так далее. Таким образом стало известно, что базовой структурной единицей хроматина является нить ДНК длиной 200 п.н. намотана на сердцевину с белков — нуклеосома.
Исследование молекулярной структуры нуклеосом
Открытие нуклеосомы существенно отразилось на представлении о функционировании всего аппарата реализации и передачи наследственной информации. ДНК уже не считалась покрытой белками-гистонами, а наоборот — намотанной снаружи на билокову сердцевину. Таким образом выяснилось, что структура хроматина более открытой к взаимодействию с различными факторами. Над кристаллической структурой нуклеосомы работали сразу две конкурирующие группы Т. Ричмонда и Г. Буника. В конце концов она была опубликована Ричмондом и коллегами в 1984 года из разрешением 7,0 Ǻ, подробную структуру (2,8 Ǻ) расшифровали Каролин Люгер et al 1997 года.
Структура нуклеосомы
Свойства ДНК в составе нуклеосомы
В составе нуклеосом ДНК характеризуетьсня отрицательной суперскрученистю, потому что, плотное вращения этой молекулы вокруг белковой сердцевины нуждается в уборке примерно одного витка внутри самой спирали ДНК. Наличие негативных суперспирали в составе нуклеосом приводит к возникновению положительных суперспирали в линкерных участках, последние могут быть расслаблены эукариотическими топоизомеразами.
Несмотря на то, что большинство ионных и водородных связей с белками образует сахарно-фосфатный остов ДНК, в результате чего нуклеосома может формироваться на ДНК с любой последовательностью нуклеотидов, последняя все же влияет на силу взаимодействия. Избирательность связывания гистонов с определенными участками не до конца понятна, однако установлено, что в местах плотного контакта между ДНК и белками преимущественно расположены А = Т пары, из-за чего становится возможным сжатия малого желоба ДНК, необходимое для этого взаимодействия. Две или три пары А = Т подряд делают связывания еще легче. Поэтому in vivo около половины нуклеосом размещены в участках, где динуклеотид АА, АО или ТТ разбросаны на расстоянии ~ 10 П.Н .. Однако селективность нуклеосом по последовательности нуклеотидов в ДНК достаточно слабой для того, чтобы другие факторы доминировали в выборе места их локализации.
Формирование нуклеосом
Нуклеосомы формируются сразу после репликации ДНК, или других процессов, требующих их временного отстранения. Белковая сердцевина нуклеосомы собирается в несколько этапов: сначала формируются диммеры H2A-H2B и H3-H4, после этого два диммеры H3-H4 объединяются в тетрамер, к которому впоследствии присоединяются два диммеры H2A-H2B. Образованные белковые сердцевины после репликации включаются в хроматина с участием белкового комплекса RCAF (англ. Replication-coupling assembly factor), содержащий ацетилированные гистоны H3 и H4, триммера белок CAF1 (англ. Chromatin assembly factor 1) и белок ASF1 (англ. Anti- silencing factor 1). Хотя механизм действия RCAF полностью не выяснен, считается, что он непосредственно взаимодействует с аппаратом репликации. Если нуклеосомы должны быть образованы после репарации или других процессов, это обеспечивается другими белковыми комплексами. Существуют также факторы обмена гистонов, которые могут замещать гистоны в нуклеосомами на вариантные формы.
Динамика нуклеосом
Несмотря на то, что ДНК и корове гистоны образуют прочно связанные нековалентными взаимодействиями, нуклеосомы достаточно динамичными структурами. Так кинетические эксперименты показали, что в изолированной нуклеосомами ДНК разворачивается с каждого конца примерно 4 раза в минуту и остается открытой на 10-50 мс. В это время она может взаимодействовать с негистоновых белками, необходимо в частности для транскрипции.
На расположение нуклеосом на нити ДНК влияет большое количество факторов, важнейшим среди которых является наличие других белков присоединенных к молекуле нуклеиновой кислоты. Некоторые из них способствуют формированию нуклеосом вблизи, другие наоборот — создают для этого препятствия.
Роль нуклеосом в эпигенетической регуляции
Гистоны в составе нуклеосом могут подлежать различным ковалентной модификациям (в частности таким как метилирования, ацетилирования, фосфорилирования, АДФ-рибозилирования т.п.) и / и замещаться на вариантные формы. Все эти изменения влияют на свойства хроматина и могут быть использованы для регуляции экспрессии генов, обозначения определенных участков хромосом со специфическими функциями (например центромер), необходимые для таких процессов как заглаживание и генетическая рекомбинация. Модификации гистонов могут передаваться следующим поколениям клеток во время митоза.
Вариантные гистоны кодируются другими генами, чем основные типы, и в отличие от последних, экспрессируются в течение всего клеточного цикла и включаются в состав хроматина независимо от процесса репликации с участием гистонов шаперонов и компелксив ремоделирования хроматина. Большинство вариантов были обнаружены для гистонов H2A и H3. Например, на участках эухроматина, которые менее плотно упакованы и транскрипционно активны, в нуклеосомами используются варианты H3.3 и H2AZ. Последний стабилизирует октамер гистонов в белковой сердцевине нуклеосомы, однако одновременно подавляет взаимодействие между нуклеосомами, что является необходимым условием для обеспечения высоких уровней компактизации хроматина. Это приводит к более открытого состояния хроматина.
Другой вариант гистона H2A — H2AX связан с репапрациею и рекомбинацией ДНК. Недостаток этого белка у мышей влечет генетическую нестабильность и мужском бесплодии. Небольшие количества нуклеосом, содержащих H2AX разбросаны по всему геному, если поблизости такой нуклеосомы происходит двухниточный разрыв ДНК, H2AX фосфорилируется по остатку Ser 139. Последнее событие необходима для сбора аппарата репарации в этом месте.
CENPA — еще один вариант гистона H3 связан с повторами ДНК в участках центромер. Мыши без гена этого гистона нежизнеспособны.
Эволюция нуклеосом
В 1990-х годах было установлено, что нуклеосомы реализованы не только у эукариот, но и в архей, однако в последних они содержат не восемь, а четыре белки гистоны (гомологи гистонов H3 и H4) и защищают около 60 п.н. ДНК. Цилогеномний анализ галофильные архебактрии Haloferax volcanii показал, что хроматин у этого организма организован чрезвычайно подобно эукариотического. В частности, было показано, что регуляторные последовательности в начале и конце генов значительно реже заняты нуклеосомами, чем другие участки. Также выяснилось, что количество нуклеосом, приходящейся на одну и ту же длину ДНК, вдвое больше в архей, чем у эукариот, что можно объяснить их примерно вдвое меньшими размерами. Очевидно, что нуклеосомы возникли в процессе эволюции к разделению доменов архей и эукариот. Однако, несмотря на небольшие на то, что геном архебактрий представлен относительно небольшими кольцевыми ДНК, которые к тому же не ограничены ядерной мембраной, предполагается, что первичной функцией нуклеосом было не компактизация, а участие в регуляции экспрессии генов.
Нуклеосома — это структурная часть хромосомы, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками H2А, H2B, H3 и H4. Последовательность нуклеосом, соединенная гистоновым белком H1, формирует нуклеофиламент (nucleofilament), или иначе нуклеосомную нить.
Вокруг нуклеосомного ядра, представленного гистонным октамером, ДНК делает 1,67 оборота (147 п.н.). Участок ДНК, между нуклеосомами, называется линкерной ДНК и составляет 10—100 п.н.
Последовательности ДНК могут в 1000 раз отличаться по потенциалу связывать нуклеосому. Если подряд следуют последовательности, изгибающие ДНК в одну сторону (например, ТАТА), связывание нуклеосомы будет неустойчиво.
В геноме присутствуют:
- участки, свободные от нуклеосом (сайты связывания транскрипционных акторов, регуляторных белков);
- участки, где положение нуклеосомы строго фиксировано;
- участки, в которых нуклеосомная укладка подвержена регуляции белками АТФ-зависимого ремоделинга хроматина.
Литература
- Хромосомы
- Эпигенетическое наследование
- ДНК
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое "Нуклеосома" в других словарях:
Нуклеосома — * нуклеасома * nucleosome or nu(v) particle дискообразные структуры эукариотических хромосом диаметром ок. 10 нм, являющиеся элементарной единицей упаковки хромосмной ДНК в хроматине. Состоит из белкового ядра, включающего октомеры из четырех пар … Генетика. Энциклопедический словарь
нуклеосома — nucleosome, nu (ν) particle нуклеосома. Дисковидная структура диаметром около 10 нм, являющаяся элементарной единицей упаковки хромосомной ДНК в хроматине ; состоит из белкового ядра (включает октамер гистонов Н2 … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
Нуклеосома — дисковидная структура, являющаяся элементарной единицей упаковки хромосомной ДНК в хроматине. Состоит из белка (гистона) и обернутой вокруг него двойной спирали ДНК … Словарь по психогенетике
минимальная нуклеосома — core particle, minimal nucleosome коровая частица, минимальная нуклеосома. Единица упаковки ДНК, стабильно существующая при формировании нуклеосомной структуры и включающая 146 пар нуклеотидов и октамер коровых гистонов ;… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.
Клеточное ядро — Клетки HeLa, ДНК которых окрашена голубым красителем Хёхста 33258. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, по … Википедия
Кариоплазма — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия
Нуклеоплазма — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия
Эукариотическое ядро — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия
Ядерная оболочка — Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия
Нуклеосома как структурная единица хромосомы
• При действии микрококковой нуклеазы из хроматина высвобождаются индивидуальные нуклеосомы, представляющие собой частицы размером 11S
• Нуклеосома содержит примерно 200 пн ДНК, по две копии каждой из молекул гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, а также одну копию молекулы гистона Н1
• ДНК обернута по поверхности октамера белков
Хроматин и хромосомы состоят из дезоксирибонуклеопротеиновой фибриллы, которая имеет несколько уровней организации. Структура митотических хромосом с их характерной дифференциальной окраской соответствует наиболее сложному, полностью конденсированному состоянию этой фибриллы. У всех эукариот основная структурная единица хроматина одинакова — это нуклеосома, содержащая около 200 пн ДНК и гистоны. Негистоновые белки принимают участие в скручивании цепочки нуклеосом в структуру более высокого порядка.
Когда интерфазные ядра суспендируют в растворе низкой ионной силы, они набухают и разрушаются. При этом высвобождаются фибриллы хроматина. На рисунке ниже представлен лизат ядер, содержащий вышедший из них хроматин. Отдельные участки состоят из плотно упакованных фибрилл, однако видно, что области, содержащие релаксированный хроматин, содержат дискретные частицы. Это нуклеосомы. В полностью деспирализованных участках отдельные нуклеосомы соединены между собой тонкой нитью двойной цепи ДНК. Эта непрерывная двойная цепь проходит через группу частиц.
Индивидуальные нуклеосомы можно получить, обрабатывая хроматин одной из эндонуклеаз — микрококковой нуклеазой. Она разрезает нити ДНК между нуклеосомами. Вначале высвобождаются группы нуклеосом, а затем отдельные нуклеосомы. Изолированные нуклеосомы выглядят как компактные частицы. Они обладают коэффициентом седиментации ~11S.
При переваривании хроматина с помощью микрококковой нуклеазы
высвобождаются индивидуальные нуклеосомы.
Нуклеосома содержит 200 пн ДНК, связанной с октамером гистонов, который состоит из двух копий молекулы каждого гистона Н2А, Н2В, Н3, и Н4. Эти гистоны называются коровыми (англ, core — сердцевина). Расположение их в нуклеосоме схематически показано на рисунке ниже. Эта модель объясняет стехиометрию коровых гистонов в хроматине: Н2А, Н2В, Н3, и Н4 присутствуют в эквимолекулярных количествах, по 2 молекулы каждого белка на 200 пн ДНК.
Гистоны Н3 и Н4 принадлежат к числу наиболее консервативных из известных белков. Это позволяет предполагать, что они обладают одинаковыми функциями в клетках всех эукариот. Гистоны Н2А и Н2В обнаружены во всех эукариотических клетках, однако отмечены существенные видоспецифические различия в их первичной структуре.
Гистон Н1 включает группу близких по структуре белков, которые показывают выраженную тканевую и видовую вариабельность (и не обнаружены у дрожжей). Функция гистона Н1 отличается от функции коровых гистонов. Этот гистон присутствует в хроматине в половинном от коровых гистонов количестве и может быть удален из него наиболее полно (обычно с помощью экстракции разбавленным (0,5 М) солевым раствором). Удаление гистона Н1 не нарушает структуру нуклеосомы. Это позволяет предполагать, что гистон располагается вне нуклеосомной частицы.
На поперечном сечении предложенной модели мы видим, что витки двух оборотов нити ДНК лежат вплотную друг к другу. Высота цилиндра 6 нм, из них 4 нм занято двумя витками ДНК (диаметр нити ДНК составляет 2 нм).
Наличие на нуклеосоме двух витков ДНК, возможно, имеет функциональное значение. Поскольку один виток вокруг нуклеосомы составляет 80 пн ДНК, две точки, разделенные расстоянием 80 пн в свободной двойной спирали, в действительности, на поверхности нуклеосомы могут располагаться близко друг к другу, как это показано на рисунке ниже.
Хроматин, который высвобождается при лизисе ядер,
состоит из компактно организованных дискретных частиц. Нуклеосомы состоят из примерно одинаковых количеств ДНК и гистонов (включая гистон Н1).
Рассчетная маса нуклеосомы составляет 262 кДа Два витка ДНК на нуклеосоме расположены близко друг к другу. Нуклеосома может представлять собой цилиндр,
снаружи которого располагаются два витка ДНК. Последовательности ДНК, локализованные на разных витках,
на нуклеосоме могут располагаться близко друг к другу.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Нуклеосом представляет собой комплекс , содержащий сегмент ДНК , 146 или 147 пар нуклеотидов, обернутых вокруг сердца, состоящие из белков ( гистоны ). У эукариот нуклеосома составляет основную организационную единицу хроматина . Он представляет собой первый уровень уплотнения ДНК в ядре , его геометрию часто сравнивают с проволокой, намотанной на катушку.
Кристаллическая структура нуклеосомы . В гистоны H2A , H2B , H3 и H4 красочны, и с ДНК в серый цвет. (PDB: 1EQZ ))
Контролируя доступность двойной цепи ДНК , нуклеосома непосредственно участвует в регуляции нескольких ядерных процессов, таких как транскрипция , репликация или репарация ДНК . Оно также помогает регулировать эпигенетическую из генной экспрессии , с помощью модификации его гистонов определяет активный или беззвучный характер некоторых областей генома , этот процесс называется гистоны код .
Резюме
Состав
Частица сердца
- Гистоны H2A
- Гистоны H2B
- Гистоны H3
- Гистоны H4
Центральная частица нуклеосомы (или ядра нуклеосомы) состоит из белкового ядра из восьми гистоновых белков (по две копии каждого из гистонов H2A , H2B , H3 и H4 ), вокруг которых намотано около 146 пар оснований ДНК. Более 1,65 повороты. Все образует цилиндр диаметром 11 нм и высотой 5,5 нм , массой 205 кДа (гистоны и ДНК составляют половину этой массы).
Внутри хроматина частицы ядра отделены друг от друга так называемыми линкерными сегментами ДНК . Строго говоря , термин нуклеосома относится к набору, образованному коровой частицей и соседней связывающей ДНК, но он часто используется для обозначения только коровой частицы.
Хроматосома
Хроматосома образована ассоциацией гистона, связывающего H1, с коровой частицей. Гистон H1 связывает ДНК там, где он входит и выходит из сердечной частицы. Он вызывает соединение связывающих ДНК, входящих и выходящих примерно на тридцати парах оснований, ограничивая их движения и, таким образом, запечатывая нуклеопротеидный комплекс.
Нуклеофиламент
Хотя это первая наблюдаемая структура хроматина, нуклеофиламент, тем не менее, вероятно, является лишь экспериментальным артефактом, возникающим в результате воздействия на хроматин слабых ионных сил, последовательность нуклеосом, никогда не принимающих конформации, также расширяется в физиологических условиях.
Биохимия
Аминоконцевые концы гистонов выступают за пределы глобулярной части нуклеосомы и подвергаются ковалентным модификациям, катализируемым специфическими ферментами (гистон-ацетилтрансфераза и гистон-деацетилаза, гистон-метилаза, гистон-киназа, убиквитиназа и т. Эти модификации могут действовать либо путем изменения уплотнения нуклеосомы, либо путем создания кода, сигнализирующего о специфическом рекрутировании факторов транскрипции .
Нуклеосомы также могут перемещаться по ДНК под действием ремоделирующих комплексов активности цепи АТФазы , типа SWI2 / SnF2.
Нуклеосома архей
Первоначально считавшаяся специфичной для эукариот , нуклеосома также существует у некоторых архей . Белки, гомологичные эукариотическим гистонам, были идентифицированы у большинства видов Euryarchaeota . Нуклеосома архея состоит из тетрамера этих гистонов архея, вокруг которого намотан фрагмент ДНК из примерно 60 пар оснований. Структура этого тетрамерной нуклеосома выглядит очень похожа на что из H3 - H4 тетрамер в центре эукариотических нуклеосом. Он выполняет те же функции уплотнения ДНК и регуляции транскрипции, что и его эукариотический аналог.
Читайте также: