נוקלאוזום: פונקציות, הרכב ומבנה - ביולוגיה - 2025

הנוקלאוזום היא יחידת האריזה הבסיסית של DNA באורגניזמים איקריוטיים. לכן זהו מרכיב הדחיסה הקטן ביותר עבור כרומטין.

הגרעין בנוי כאוקטמר של חלבונים הנקראים היסטונים, או מבנה בצורת תוף שעליו נפצע כ -140 נ"ט DNA, מה שמביא כמעט לשני סיבובים שלמים.

מבנה נוקלאוזום

בנוסף, 40-80 ננומטר נוסף של DNA נחשב לחלק מהגרעין, והוא חלק ה- DNA שמאפשר המשכיות פיזית בין נוקלאוזום אחד למשנהו במבני כרומטין מורכבים יותר (כמו סיבי הכרומטין 30 ננומטר).

קוד ההיסטון היה אחד ממרכיבי הבקרה האפיגנטיים המולקולאריים שהובנו היטב ביותר.

מאפיינים

נוקלאוזומים מאפשרים:

• אריזת ה- DNA שתתאים לחלל המצומצם של הגרעין.
• הם קובעים את המחיצה בין הכרומטין שבא לידי ביטוי (אוקראומטין) לבין הכרומטין הדומם (הטרוכרומטין).
• הם מארגנים את כל הכרומטין גם במרחב וגם בתפקוד בגרעין.
• הם מייצגים את המצע של השינויים הקוואלנטיים הקובעים את הביטוי ורמת הביטוי של הגנים המקודדים לחלבונים באמצעות מה שמכונה קוד היסטון.

הרכב ומבנה

במובנו הבסיסי ביותר, נוקלאוזומים מורכבים מ- DNA וחלבונים. ה- DNA יכול להיות כמעט כל DNA-פס כפול שנמצא בגרעין התא האוקריוטי, ואילו חלבונים גרעיניים-שייכים כולם שייכים לקבוצת החלבונים הנקראים היסטונים.

היסטונים הם חלבונים קטנים עם עומס גבוה של שאריות חומצות אמיניות בסיסיות; זה מאפשר לנטרל את המטען השלילי הגבוה של ה- DNA ולייצר אינטראקציה פיזית יעילה בין שתי המולקולות מבלי להגיע לקשיחות של הקשר הכימי הקוונטנטי.

היסטונים יוצרים אוקטמר דמוי תוף עם שני עותקים או מונומרים של כל אחד מההיסטונים H2A, H2B, H3 ו- H4. ה- DNA מבצע כמעט שתי סיבובים שלמים בצידי אוקטמר ואז ממשיך בשבריר של DNA מקשר המקשר עם היסטון H1, כדי לחזור לתת שני פניות שלמות על אוקטמר היסטון אחר.

ערכת האוקטאמר, ה- DNA המשויך, וה- DNA המקשר התואם שלו, היא גרעין.

דחיסת כרומטין

ה- DNA הגנומי מורכב ממולקולות ארוכות במיוחד (יותר ממטר במקרה של בני אדם, בהתחשב בכל הכרומוזומים שלהם), אותם יש לדחוס ולארגן בתוך גרעין קטן במיוחד.

השלב הראשון בדחיסה זו מתבצע באמצעות היווצרות גרעינים. בשלב זה בלבד, ה- DNA דוחס כ 75- פעמים.

זה מוליד סיב ליניארי ממנו נבנים רמות דחיסות כרומטין עוקבות: סיבי 30 ננומטר, לולאות, ולולאות לולאות.

כאשר תא מתחלק, בין אם על ידי מיטוזה או על ידי מיוזה, דרגת הדחיסה האולטימטיבית היא הכרומוזום המיטוטי או המיוטי עצמו, בהתאמה.

קוד ההיסטון וביטוי הגנים

העובדה כי אוקטמרים היסטון ו- DNA מקיימים אינטראקציה אלקטרוסטטית מסבירה בחלקם את הקשר האפקטיבי שלהם, מבלי לאבד את הנזילות הנדרשת בכדי להפוך את הנוקלאוזומים ליסודות דינמיים לצורך דחיסת ופירוק הכרומטין.

אך ישנו אלמנט אינטראקציה עוד יותר מפתיע: הקצוות הטרמינליים של ה- N של ההיסטונים נחשפים מחוץ לפנים האוקטאמר הקומפקטי והאינרטי יותר.

מטרות אלה לא רק מתקיימות אינטראקציה פיזית עם ה- DNA, אלא גם עוברות סדרה של שינויים קוולנטיים עליהם תלויה מידת הדחיסה של הכרומטין וביטוי ה- DNA הקשור.

מערך השינויים הקוואלנטיים, מבחינת סוג ומספר, בין היתר, ידוע באופן קולקטיבי בשם קוד ההיסטון. שינויים אלה כוללים זרחן, מתילציה, אצטילציה, ubiquitination, ו sumoylation של שאריות ארגינין ליזין ב N- טרמיניי של היסטונים.

כל שינוי, יחד עם אחרים בתוך אותה מולקולה או בשאריות של היסטונים אחרים, במיוחד היסטונים H3, יקבעו את הביטוי או לא של ה- DNA הקשור, כמו גם את מידת הדחיסה של הכרומטין.

ככלל, רואים למשל כי היסטונים היפר-מתיליים והיפו-אצטלטיים קובעים כי ה- DNA הקשור לא מתבטא וכי הכרומטין קיים במצב קומפקטי יותר (הטרוכרומטי, ולכן אינו פעיל).

לעומת זאת, DNA אאודרומטי (פחות קומפקטי ופעיל גנטית) קשור לכרומטין שההיסטונים שלו הם hyper-acetylated ו- hypomethylated.

אוקראומטין לעומת הטרוכרומטין

ראינו כבר כי מצב השינוי הקוואליסטי של היסטונים יכול לקבוע את מידת הביטוי ודחיסת הכרומטין המקומית. ברמות עולמיות, גם דחיסת הכרומטין מוסדרת על ידי שינויים קוולנטיים של היסטונים בגרעינים.

לדוגמה, הוכח כי הטרוכרומטטין מכונן (שלעולם לא בא לידי ביטוי, וארוז בצפיפות) נוטה להיות מחובר למינציה הגרעינית, ולהשאיר את נקבוביות הגרעין חופשיות.

מצדו, אוקראומטין מכונן (שבא לידי ביטוי תמיד, כמו זה הכולל את הגנים לתחזוקת התאים, ונמצא באזורים של כרומטין רופף), עושה זאת בלולאות גדולות שחושפות את ה- DNA שיש לתמלול למכונות התמלול. .

אזורים אחרים של DNA גנומי מתנדנדים בין שני מצבים אלה בהתאם לזמן ההתפתחות של האורגניזם, תנאי הגידול, הזהות התאית וכו '.

פעולות אחרות

על מנת לממש את תוכניתם להתפתחות, ביטוי ותחזוקה של תאים, על הגנום של אורגניזמים אוקיארוטים לווסת היטב מתי וכיצד על הפוטנציאל הגנטי שלהם להתבטא.

החל מהמידע המאוחסן בגנים שלהם, אלה ממוקמים בגרעין באזורים מסוימים הקובעים את מצב התמלול שלהם.

אנו יכולים, אם כן, לומר כי עוד אחד מהתפקידים הבסיסיים של גרעינים, באמצעות שינויי הכרומטין שהוא עוזר להגדיר, הוא ארגון או ארכיטקטורה של הגרעין המאכלס אותם.

ארכיטקטורה זו עוברת בירושה ונשמרת פילוגנטית בזכות קיומם של אלמנטים מודולריים אלו של אריזות מידע.

הפניות

1. אלברטס, ב, ג 'ונסון, AD, לואיס, ג', מורגן, ד, רף, M., רוברטס, ק ', וולטר, P. (2014) ביולוגיה מולקולרית של התא (6 ^th Edition). WW Norton & Company, ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב.
2. Brooker, RJ (2017). גנטיקה: ניתוח ועקרונות. McGraw-Hill השכלה גבוהה, ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב.
3. Cosgrove, MS, Boeke, JD, Wolberger, C. (2004). ניידות גרעין מוסדרת וקוד ההיסטון. ביולוגיה טבעית מבנית ומולקולרית, 11: 1037-43.
4. Goodenough, UW (1984) גנטיקה. WB Saunders Co. בע"מ, פילדלפיה, פנסילבניה, ארה"ב.
5. גריפית'ס, AJF, ווסלר, ר., קרול, ס.ב., דובי, ג'יי (2015). מבוא לניתוח גנטי (11 ^th ed.). ניו יורק: WH Freeman, ניו יורק, ניו יורק, ארה"ב.