5.8: Nukleosom-Umbau

Nucleosome Remodeling
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Molecular Biology
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Nucleosome Remodeling

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02:54 min
November 23, 2020

Overview

Nucleosomes are the basic units of chromatin compaction. Each nucleosome consists of the DNA bound tightly around a histone core, which makes the DNA inaccessible to DNA binding proteins such as DNA polymerase and RNA polymerase. Hence, the fundamental problem is to ensure access to DNA when appropriate, despite the compact and protective chromatin structure.

Nucleosome remodeling complex

Eukaryotic cells have specialized enzymes called ATP-dependent nucleosome remodeling enzymes. These enzymes bind to both histone and the wound DNA and can facilitate nucleosome sliding – a process where the DNA is pushed relative to the histone core, or partial or complete histone core replacement, altering the composition of nucleosomes and indirectly affecting the chromatin folding. One of the best-known remodeling complexes is Swi/Snf, originally identified in yeast.

Mechanism of action

Two models are proposed to explain nucleosome sliding – Twist diffusion and Loop/bulge propagation. Both these models suggest that DNA distortion propagates over the surface of the nucleosome.

Twist diffusion model

According to this model, a single base pair is transferred between linked DNA and the DNA wrapped around the histone core. This base change causes nucleosomal DNA to twist or untwist to accommodate the gain/loss of base pairs. The twist defect then propagates around the nucleosome from one DNA segment to the next in a process known as twist-diffusion. In this manner the histone octamer would shift along with the DNA by the size of distortion.

Loop/bulge model

According to this model, DNA from the linker region transiently shifts around the nucleosome, creating a bulge/loop. The loop then travels around the histone, creating or disrupting the histone-DNA interactions. This way, the nucleosome core slides on the DNA strand, exposing regions of DNA for genetic activities.

Given the complexity of chromatin folding, both of the models mentioned above may coexist. However, there are specific questions which both models do not explain, indicating the actual processes may be even more complex. For example, how is processivity achieved during sliding? How does each element of the remodeling complex participate in the process? How do remodelers cooperate with histone chaperones?

The nucleosome remodeling ATPase is involved in several genetic mechanisms, such as developmental gene expression, rapid transcription in response to environmental cues, replication of the genome, surveillance of DNA damage, and repair.

Defects in the nucleosome remodeling complex have a wide range of consequences. During embryonic development, failure of nucleosome remodeling can affect viability, and cause morphological defects. It may also lead to problems in DNA repair, resulting in genome instability and cancer.

Transcript

Die geordnete Anordnung der Nukleosomen führt zu einer kompakten und schützenden Chromatinorganisation, die den Zugang zu genetischer Information auf verschiedene Weise behindern kann.

Erstens können DNA-bindende Proteine, wie z. B. die RNA-Polymerase, nicht ohne weiteres mit der DNA assoziieren, die an die Histonoberfläche gebunden ist. Darüber hinaus ist die DNA, die um das Histon gewickelt ist, stark gebogen, so dass sie von den DNA-bindenden Proteinen nicht erkennbar ist. Schließlich können Nicht-Histon-Chromatinproteine mit Nukleosomen assoziiert werden, was zu einer weiteren Verdichtung führt.

Daher verfügen eukaryotische Zellen über Enzyme, die als ATP-abhängige Chromatin-Remodeling-Komplexe bezeichnet werden und die Nukleosomen vorübergehend und lokal umgestalten können.

Diese Komplexe enthalten eine hydrolysierende ATP-Untereinheit, die sowohl an die Histonproteine als auch an die sie umgebende DNA bindet. Die Hydrolyse von ATP liefert die Energie, die erforderlich ist, um die Wechselwirkung zwischen dem Histonkern und der DNA zu stören.

Die Energie, die aus mehreren Runden der ATP-Hydrolyse gewonnen wird, ermöglicht es den Umbaukomplexen, ein Verschieben der Nukleosomen zu verursachen – ein Prozess, bei dem das Histon entlang der DNA bewegt wird, ohne von ihr zu dissoziieren.

Das Gleiten der Nukleosomen lässt sich am besten durch das Loop-Bulge-Ausbreitungsmodell erklären. Hier wird die DNA aus der Linkerregion in den Histonkern geschoben und bildet eine Schleife.

Diese Ausbuchtung breitet sich dann wie eine Welle um den Histonkern aus, wodurch die Histon-DNA-Wechselwirkungen gebrochen und neu gebildet werden. Dieser Prozess verschiebt den Histonkern entlang der DNA und legt die bisher unzugänglichen DNA-Sequenzen frei.

Remodeling-Komplexe erleichtern in Verbindung mit Histon-Chaperonen den teilweisen oder vollständigen Ersatz von Nukleosomen-Oktamerkernen, wodurch die Chromatinfaltung indirekt beeinflusst wird. Zum Beispiel markiert der Ersatz von Histon H3 durch zentromerspezifische H3-Histone die Position des Zentromers auf dem Chromosom.

Nicht-Histon-DNA-bindende Proteine beeinflussen auch die Position und Stabilität der Nukleosomen. Einige gebundene Proteine können die Bildung von Nukleosomen begünstigen, während andere Proteine die Bildung von Nukleosomen in ihrer Nähe nicht zulassen.

Die genaue Position der Nukleosomen hängt daher von der Art der Nicht-Histon-DNA-bindenden Proteine ab; und aufgrund des Vorhandenseins der Chromatin-Remodeling-Komplexe ist die Zusammensetzung und Anordnung der Nukleosomen hochdynamisch.

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