Nukleosomen-Umstrukturierung

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.