Ein nucleosome ist die grundlegende Einheit des DNA-Verpackens in eukaryotes, aus einem Segment der DNA-Wunde in der Folge ungefähr acht histone Protein-Kerne bestehend. Diese Struktur ist häufig im Vergleich zum um eine Spule gewickelten Faden.

Nucleosomes bilden die grundsätzlichen sich wiederholenden Einheiten von eukaryotic chromatin, der verwendet wird, um die großen eukaryotic Genome in den Kern einzupacken, während man noch passenden Zugang dazu sichert (in Säugetierzellen, müssen etwa 2 M der geradlinigen DNA in einen Kern von ungefähr 10 µm Diameter gepackt sein). Nucleosomes werden durch eine Reihe nacheinander höherer Ordnungsstrukturen gefaltet, um schließlich ein Chromosom zu bilden; das sowohl presst DNA zusammen als auch schafft eine zusätzliche Schicht der Durchführungskontrolle, die richtigen Genausdruck sichert. Wie man denkt, tragen Nucleosomes epigenetically hat Information in der Form von covalent Modifizierungen ihres Kerns histones geerbt.

Die nucleosome Hypothese wurde von Don und Ada Olins 1974 und Roger Kornberg vorgeschlagen.

Die nucleosome Kernpartikel besteht aus etwa 147 Grundpaaren der DNA, die in 1.67 linkshändige superspiralenförmige Umdrehungen um einen histone octamer gewickelt ist, aus 2 Kopien jeder des Kerns histones H2A, H2B, H3 und H4 bestehend. Kernpartikeln werden durch das Strecken "linker DNA" verbunden, die bis zu ungefähr 80 bp lange sein kann. Technisch wird ein nucleosome als die Kernpartikel plus eines dieser linker Gebiete definiert; jedoch ist das Wort häufig mit der Kernpartikel synonymisch.

Linker histones wie H1 und sein isoforms werden an chromatin compaction beteiligt und sitzen an der Basis des nucleosome in der Nähe vom DNA-Zugang und Ausgang, der zum linker Gebiet der DNA bindet. Nichtkondensierte nucleosomes ohne den linker histone ähneln "Perlen auf einer Schnur der DNA" unter einem Elektronmikroskop.

Im Gegensatz zu den meisten eukaryotic Zellen verwenden reife Samenzellen größtenteils protamines, um ihre genomic DNA zu paketieren, am wahrscheinlichsten ein noch höheres Verpackungsverhältnis zu erreichen. Entsprechungen von Histone und eine vereinfachte chromatin Struktur sind auch in Archea gefunden worden, darauf hinweisend, dass eukaryotes nicht die einzigen Organismen dieser Gebrauch nucleosomes sind.

Struktur

Struktur der Kernpartikel

Übersicht

Früh haben Strukturstudien Beweise zur Verfügung gestellt, dass ein octamer von histone Proteinen DNA um sich in ungefähr zwei Umdrehungen einer linkshändigen Superspirale wickelt. 1997 wurde das erste fast Atomentschlossenheitskristallstruktur des nucleosome von der Gruppe von Richmond gelöst, einige der wichtigsten Details der Partikel zeigend. Der menschliche Alpha-Satellit palindromic DNA, die zum Erzielen von 1997 nucleosome Kristallstruktur kritisch ist, wurde von der Gruppe von Bunick am Eiche-Kamm Nationales Laboratorium in Tennessee entwickelt. Die Strukturen von mehr als 20 verschiedenen nucleosome Kernpartikeln sind bis heute, einschließlich derjenigen gelöst worden, die histone Varianten und histones von verschiedenen Arten enthalten. Die Struktur der nucleosome Kernpartikel wird bemerkenswert erhalten, und sogar eine Änderung von mehr als 100 Rückständen zwischen Frosch und Hefe histones läuft auf Elektrondichte-Karten mit der Mittelquadratabweichung einer gesamten Wurzel nur 1.6Å hinaus.

Die nucleosome Kernpartikel

Die nucleosome Kernpartikel (gezeigt in der Zahl) besteht aus ungefähr 146 bp der DNA, die in 1.67 linkshändige superspiralenförmige Umdrehungen um den histone octamer gewickelt ist, aus 2 Kopien jeder des Kerns histones H2A, H2B, H3 und H4 bestehend. Angrenzende nucleosomes werden durch ein Strecken der freien DNA genannt "linker DNA" angeschlossen (der sich von 10 - 80 bp in der Länge abhängig von Arten und Gewebetyp ändert).

Kernpartikeln von Nucleosome werden beobachtet, wenn chromatin in der Zwischenphase behandelt wird, um den chromatin zu veranlassen, sich teilweise zu entfalten. Das resultierende Image, über ein Elektronmikroskop, ist "Perlen auf einer Schnur". Die Schnur ist die DNA, während jede Perle im nucleosome eine Kernpartikel ist. Die nucleosome Kernpartikel wird aus der DNA und den histone Proteinen zusammengesetzt.

Protein-Wechselwirkungen innerhalb des nucleosome

Der Kern histone Proteine enthält ein charakteristisches Strukturmotiv genannt "histone Falte," der aus drei Alpha-helices (α1-3) getrennt durch zwei Schleifen (L1-2) besteht. In der Lösung bilden die histones H2A-H2B heterodimers und H3-H4 heterotetramers. Histones dimerise über ihren langen α2 helices in einer antiparallelen Orientierung, und, im Fall von H3 und H4, bilden zwei solche dimers ein 4-Spiralen-Bündel, das durch umfassenden H3-H3' Wechselwirkung stabilisiert ist. H2A/H2B dimer bindet auf H3/H4 tetramer wegen Wechselwirkungen zwischen H4 und H2B, die die Bildung einer hydrophoben Traube einschließen.

Der histone octamer wird durch zentralen zwischen zwei H2A/H2B dimers eingeschobenen H3/H4 tetramer gebildet. Wegen der hoch grundlegenden Gebühr des ganzen vier Kerns histones ist der histone octamer nur in Gegenwart von der DNA oder den sehr hohen Salz-Konzentrationen stabil.

Histone - DNA-Wechselwirkungen

Der nucleosome enthält mehr als 120 direkte Wechselwirkungen der PROTEIN-DNA und mehrere hundert wasservermittelte. Direktes Protein - DNA-Wechselwirkungen werden gleichmäßig über die Octamer-Oberfläche nicht ausgebreitet, aber eher an getrennten Seiten gelegen. Diese sind wegen der Bildung von zwei Typen der DNA verbindliche Seiten innerhalb des octamer; die α1α1 Seite, die die α1 Spirale von zwei angrenzenden histones und die L1L2 Seite verwendet, die durch den L1 und die L2 Schleifen gebildet ist. Salz-Verbindungen und das Wasserstoffabbinden sowohl zwischen Seitenkette grundlegende als auch zwischen hydroxyl Gruppen und Hauptkette amides mit den DNA-Rückgrat-Phosphaten bilden den Hauptteil von Wechselwirkungen mit der DNA. Das ist wichtig, vorausgesetzt, dass der allgegenwärtige Vertrieb von nucleosomes entlang Genomen verlangt, dass es eine nicht Folge spezifischer DNA BINDENDER Faktor ist. Obwohl nucleosomes dazu neigen, einige DNA-Folgen über andere zu bevorzugen, sind sie zur Schwergängigkeit praktisch zu jeder Folge fähig, die, wie man denkt, wegen der Flexibilität in der Bildung dieser wasservermittelten Wechselwirkungen ist. Außerdem werden nichtpolare Wechselwirkungen zwischen Protein-Seitenketten und den deoxyribose Gruppen und einer arginine Seitenkette intercalates in die DNA geringe Rinne an allen 14 Seiten gemacht, wo es der Octamer-Oberfläche gegenübersteht.

Der Vertrieb und die Kraft von DNA BINDENDEN Seiten über die Octamer-Oberfläche verdrehen die DNA innerhalb des nucleosome Kerns. Die DNA wird ungleichförmig gebogen und enthält auch Drehungsdefekte. Die Drehung der freien B-Form-DNA in der Lösung ist 10.5 bp pro Umdrehung. Jedoch ist die gesamte Drehung der nucleosomal DNA nur 10.2 bp pro Umdrehung, sich von einem Wert von 9.4 zu 10.9 bp pro Umdrehung ändernd.

Schwanz-Gebiete von Histone

Die histone Schwanz-Erweiterungen setzen bis zu 30 % durch die Masse von histones ein, aber sind in den Kristallstrukturen von nucleosomes wegen ihrer hohen inneren Flexibilität nicht sichtbar und sind gedacht worden, größtenteils unstrukturiert zu werden. Die N-Endschwänze von histones H3 und H2B führen einen Kanal durch, der durch die geringen Rinnen der zwei DNA-Ufer gebildet ist, von der DNA alle 20 bp hervortretend. Der N-Endschwanz von histone H4 hat andererseits ein Gebiet von hoch grundlegenden Aminosäuren (16-25), der, in der Kristallstruktur, eine Wechselwirkung mit hoch acidic Oberflächengebiet von H2A-H2B dimer eines anderen nucleosome bildet, für die höherwertige Struktur von nucleosomes potenziell wichtig seiend. Wie man denkt, kommt diese Wechselwirkung unter physiologischen Bedingungen auch vor, und weist darauf hin, dass acetylation des H4 Schwanzes die höherwertige Struktur von chromatin verdreht.

Höhere Ordnungsstruktur

Die Organisation der DNA, die durch den nucleosome erreicht wird, kann das Verpacken der im Zellkern beobachteten DNA nicht völlig erklären. Weiter ist compaction von chromatin in den Zellkern notwendig, aber wird noch nicht gut verstanden. Das aktuelle Verstehen ist, dass, sich nucleosomes mit dem Eingriff "linker" DNA-Form wiederholend, ein 10-nm-fiber, der als "Perlen auf einer Schnur" beschrieben ist, und ein sich verpacken lassendes Verhältnis von ungefähr fünf bis zehn hat. Eine Kette von nucleosomes kann in einer 30 nm Faser, einer zusammengepressten Struktur mit einem sich verpacken lassenden Verhältnis ~50 eingeordnet werden, und dessen Bildung von der Anwesenheit von H1 histone abhängig ist.

Eine Kristallstruktur eines tetranucleosome ist präsentiert und verwendet worden, um eine vorgeschlagene Struktur der 30 nm Faser als eine Zwei-Anfänge-Spirale aufzubauen.

Es gibt noch einen bestimmten Betrag des Streits bezüglich dieses Modells, weil es mit neuen Elektronmikroskopie-Daten unvereinbar ist. Außer dem wird die Struktur von chromatin schlecht verstanden, aber es wird klassisch darauf hingewiesen, dass die 30 nm Faser in Schleifen entlang einem Hauptprotein-Schafott eingeordnet wird, um transcriptionally aktiven euchromatin zu bilden. Weiter führt compaction zu transcriptionally untätigem heterochromatin.

Dynamik von Nucleosome

Obwohl der nucleosome ein sehr stabiler Komplex der PROTEIN-DNA ist, ist es nicht statisch und ist gezeigt worden, mehrere verschiedene Strukturneuordnungen einschließlich des Nucleosome-Schiebens und der DNA-Seite-Aussetzung zu erleben. Abhängig vom Zusammenhang kann nucleosomes hemmen oder Abschrift-Faktor-Schwergängigkeit erleichtern. Positionen von Nucleosome werden von drei Hauptbeiträgen kontrolliert: Erstens hängt die innere verbindliche Sympathie des histone octamer von der DNA-Folge ab. Zweitens kann der nucleosome versetzt oder durch die konkurrenzfähige oder kooperative Schwergängigkeit anderer Protein-Faktoren rekrutiert werden. Drittens kann der nucleosome durch ATP-abhängige Umbauen-Komplexe aktiv verlagert werden.

Das Schieben von Nucleosome

Im Laboratorium von Bradbury durchgeführte Arbeit hat gezeigt, dass nucleosomes, die auf 5S DNA-Positionierungsfolge wieder eingesetzt sind, im Stande gewesen sind, sich Übersetzungs-auf angrenzende Folgen, wenn ausgebrütet, thermisch wiedereinzustellen. Spätere Arbeit hat gezeigt, dass diese Umpositionierung Störung des histone octamer nicht verlangt hat, aber mit nucleosomes im Einklang stehend war, der im Stande ist, entlang der DNA in cis "zu gleiten". 2008 wurde Es weiter offenbart, dass CTCF verbindliche Seiten handeln als nucleosome Positionierung von Ankern, so dass, wenn verwendet, verschiedene Genomic-Signale auszurichten, vielfacher angrenzender nucleosomes sogleich identifiziert werden kann. Obwohl nucleosomes wirklich beweglich sind, haben eukaryotes eine große Familie von ATP-abhängigem chromatin das Umbauen von Enzymen entwickelt, um chromatin Struktur zu verändern, von denen viele so über das Nucleosome-Schieben tun.

DNA-Seite-Aussetzung

Die Arbeit vom Laboratorium von Widom hat gezeigt, dass nucleosomal DNA im Gleichgewicht zwischen einem gewickelten und ausgewickelten Staat ist. Maße dieser Raten mit der zeitaufgelösten VERÄRGERUNG haben offenbart, dass die DNA innerhalb des nucleosome völlig gewickelt seit nur 250 Millisekunden bleibt, bevor es seit 10-50 Millisekunden ausgewickelt und dann schnell wiedergewickelt wird. Das deutet an, dass DNA vom nucleosome nicht aktiv abgesondert zu werden braucht, aber dass es einen bedeutenden Bruchteil der Zeit gibt, während deren es völlig zugänglich ist. Tatsächlich kann das zur Beobachtung erweitert werden, dass das Einführen einer DNA BINDENDEN Folge innerhalb des nucleosome die Zugänglichkeit von angrenzenden Gebieten der DNA, wenn gebunden, vergrößert. Diese Neigung zur DNA innerhalb des nucleosome, um "zu atmen", wird vorausgesagt, um wichtige funktionelle Folgen für alle DNA BINDENDEN Proteine zu haben, die in einer chromatin Umgebung funktionieren.

Das Modulieren nucleosome Struktur

Genome von Eukaryotic werden in chromatin allgegenwärtig vereinigt; jedoch müssen Zellen spezifische geometrische Orte unabhängig vom Hauptteil chromatin räumlich und zeitlich regeln. Um das hohe Niveau der Kontrolle zu erreichen, die erforderlich ist, Kernprozesse wie DNA-Erwiderung, Reparatur und Abschrift zu koordinieren, haben Zellen eine Vielfalt der Mittel zu lokal entwickelt und stimmen spezifisch chromatin Struktur und Funktion ab. Das kann covalent Modifizierung von histones, die Integration von histone Varianten und das Non-Covalent-Umbauen durch ATP-abhängige Umbauen-Enzyme einschließen.

Histone Postübersetzungsmodifizierungen

Seitdem sie Mitte der 1960er Jahre entdeckt wurden, histone Modifizierungen sind vorausgesagt worden, um Abschrift zu betreffen. Die Tatsache, dass die meisten frühen gefundenen Postübersetzungsmodifizierungen innerhalb der Schwanz-Erweiterungen konzentriert wurden, die vom nucleosome Kern hervortreten, führt zu zwei Haupttheorien bezüglich des Mechanismus der histone Modifizierung. Die erste von den Theorien hat darauf hingewiesen, dass sie elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den histone Schwänzen und der DNA betreffen können, um chromatin Struktur "zu lösen". Später wurde es vorgeschlagen, dass Kombinationen dieser Modifizierungen Schwergängigkeit epitopes schaffen können, mit dem man andere Proteine rekrutiert. Kürzlich vorausgesetzt, dass mehr Modifizierungen in den strukturierten Gebieten von histones gefunden worden sind, ist er vorgebracht worden, dass diese Modifizierungen HISTONE-DNA und histone-histone Wechselwirkungen innerhalb des nucleosome Kerns betreffen können. Modifizierungen (wie acetylation oder phosphorylation), die die Anklage des kugelförmigen histone Kerns senken, werden vorausgesagt, um Vereinigung der KERN-DNA "zu lösen"; die Kraft der Wirkung hängt von Position der Modifizierung innerhalb des Kerns ab.

gezeigt hat, sind einige Modifizierungen mit dem zum Schweigen bringenden Gen aufeinander bezogen worden; andere scheinen, mit der Genaktivierung aufeinander bezogen zu werden. Allgemeine Modifizierungen schließen acetylation, methylation, oder ubiquitination von lysine ein; methylation von arginine; und phosphorylation von serine. Die Information versorgt wird auf diese Weise als epigenetic betrachtet, da es in der DNA nicht verschlüsselt wird, aber noch zu Tochter-Zellen geerbt wird. Die Wartung eines unterdrückten oder aktivierten Status eines Gens ist häufig für die Zellunterscheidung notwendig.

Varianten von Histone

Obwohl histones bemerkenswert während der Evolution erhalten werden, sind mehrere verschiedene Formen identifiziert worden. Es ist interessant zu bemerken, dass diese Diversifikation der Histone-Funktion auf H2A und H3, mit H2B und H4 eingeschränkt wird, der größtenteils invariant ist. H2A kann durch H2AZ ersetzt werden (der zu reduzierter nucleosome Stabilität führt) oder H2AX (der mit der DNA-Reparatur und T Zellunterscheidung vereinigt wird), wohingegen die untätigen X Chromosomen in Säugetieren in macroH2A bereichert werden. H3 kann durch H3.3 ersetzt werden (der aktivierten Genen entspricht) und in centromeres H3 durch CENPA ersetzt wird.

Das ATP-abhängige Nucleosome-Umbauen

Mehrere verschiedene Reaktionen werden mit dem Begriff ATP-Abhängiger chromatin das Umbauen vereinigt. Wie man gezeigt hat, haben umbauende Enzyme nucleosomes entlang der DNA gleiten lassen, HISTONE-DNA-Kontakte in Höhe vom Destabilisieren von H2A/H2B dimer gestört und haben negative superspiralenförmige Verdrehung in der DNA und chromatin erzeugt. Kürzlich, wie man gezeigt hat, hat das Swr1-Umbauen-Enzym die Variante histone H2A.Z in nucleosomes eingeführt. Zurzeit ist es nicht klar, wenn alle von diesen verschiedene Reaktionen oder bloß alternative Ergebnisse eines allgemeinen Mechanismus vertreten. Was zwischen allen, und tatsächlich dem Gütestempel des ATP-abhängigen Chromatin-Umbauens geteilt wird, ist, dass sie alle auf veränderte DNA-Zugänglichkeit hinauslaufen.

Studien, die auf die Genaktivierung in vivo und erstaunlicher schauen, in vitro umbauend, haben offenbart, dass chromatin das Umbauen von Ereignissen und die Schwergängigkeit des Abschrift-Faktors zyklisch und in der Natur periodisch sind. Während die Folgen davon für den Reaktionsmechanismus des Chromatin-Umbauens nicht bekannt sind, kann die dynamische Natur des Systems ihm erlauben, schneller auf Außenstimuli zu antworten.

Dynamischer nucleosome, der über das Hefe-Genom umbaut

Studien 2007 haben nucleosome Positionen in der Hefe katalogisiert und gezeigt, dass nucleosomes in Befürworter-Gebieten und Ursprüngen der Erwiderung entleert werden.

Ungefähr 80 % des Hefe-Genoms scheinen, durch nucleosomes bedeckt zu werden, und das Muster von nucleosome, der klar einstellt, bezieht sich auf DNA-Gebiete, die Abschrift, Gebiete regeln, die abgeschrieben werden und Gebiete diese eingeweihte DNA-Erwiderung. Am meisten kürzlich ändert sich eine neue Studie untersucht ''dynamische Änderungen'' in der nucleosome Umpositionierung während eines globalen transcriptional Wiederprogrammierung des Ereignisses, um die Effekten auf die nucleosome Versetzung während weiten Genoms transcriptional aufzuhellen, in die Hefe (Saccharomyces cerevisiae). Die Ergebnisse haben darauf hingewiesen, dass nucleosomes, die zu Befürworter-Gebieten lokalisiert wurden, als Antwort auf Betonung (wie Hitzestoß) versetzt werden. Außerdem hat die Eliminierung von nucleosomes gewöhnlich transcriptional Aktivierung entsprochen, und der Ersatz von nucleosomes hat gewöhnlich transcriptional Verdrängung vermutlich entsprochen, weil Abschrift-Faktor verbindliche Seiten mehr oder weniger zugänglich beziehungsweise geworden ist. Im Allgemeinen wurden nur ein oder zwei nucleosomes am Befürworter wiedereingestellt, um diese Transcriptional-Änderungen zu bewirken. Jedoch, sogar in chromosomalen Gebieten, die mit Transcriptional-Änderungen, nucleosome Umpositionierung nicht vereinigt wurden, wurde beobachtet, darauf hinweisend, dass die Bedeckung und das Aufdecken der transcriptional DNA kein transcriptional Ereignis notwendigerweise erzeugen.

Zusammenbau von Nucleosome in vitro

Nucleosomes kann in vitro entweder durch das Verwenden des gereinigten Eingeborenen oder durch recombinant histones versammelt werden. Eine Standardtechnik, die DNA um den histones zu laden, ist mit dem Gebrauch der Salz-Dialyse verbunden. Eine Reaktion, die aus dem histone octamers und einer nackten DNA-Schablone besteht, kann zusammen bei einer Salz-Konzentration von 2 M ausgebrütet werden. Durch das unveränderliche Verringern der Salz-Konzentration wird die DNA equilibrate zu einer Position, wo es um den histone octamers gewickelt wird, sich nucleosomes formend. In passenden Bedingungen berücksichtigt dieser Wiederverfassungsprozess, dass der nucleosome Sympathie einer gegebenen experimentell kartografisch darzustellenden Folge einstellt.

Links

• Nucleosomes auf der Gruppenseite von Timothy Richmond
• Nucleosome am PDB
• Das dynamische Umbauen der Person Nucleosomes über ein Eukaryotic Genom als Antwort auf die Transcriptional Unruhe
• Nucleosome, der Daten und Werkzeuge online (kommentierte Liste, ständig aktualisiert) einstellt