5.8: Przebudowa nukleosomów

Nukleosomy są podstawowymi jednostkami zagęszczenia chromatyny. Każdy nukleosom składa się z DNA ściśle związanego wokół rdzenia histonowego, co sprawia, że DNA jest niedostępne dla białek wiążących DNA, takich jak polimeraza DNA i polimeraza RNA. Stąd podstawowym problemem jest zapewnienie dostępu do DNA w razie potrzeby, pomimo zwartej i ochronnej struktury chromatyny.

Kompleks przebudowy nukleosomów

Komórki eukariotyczne mają wyspecjalizowane enzymy zwane enzymami przebudowy nukleosomów zależnymi od ATP. Enzymy te wiążą się zarówno z histonem, jak i DNA rany i mogą ułatwiać przesuwanie się nukleosomów – proces, w którym DNA jest popychane względem rdzenia histonowego lub częściowa lub całkowita wymiana rdzenia histonowego, zmieniając skład nukleosomów i pośrednio wpływając na fałdowanie chromatyny. Jednym z najbardziej znanych kompleksów remodelingowych jest Swi/Snf, pierwotnie zidentyfikowany w drożdżach.

Mechanizm działania

Zaproponowano dwa modele wyjaśniające ślizganie się nukleosomów – dyfuzję skrętną i propagację pętli/zgrubienia. Oba te modele sugerują, że zniekształcenie DNA rozchodzi się po powierzchni nukleosomu.

Model dyfuzji skrętnej

Zgodnie z tym modelem pojedyncza para zasad jest przenoszona między połączonym DNA a DNA owiniętym wokół rdzenia histonowego. Ta zmiana zasady powoduje, że nukleosomalne DNA skręca się lub rozkręca, aby dostosować się do przyrostu/utraty par zasad. Defekt skrętu następnie rozprzestrzenia się wokół nukleosomu z jednego segmentu DNA do drugiego w procesie znanym jako dyfuzja skrętna. W ten sposób oktamer histonowy przesuwałby się wraz z DNA o wielkość zniekształcenia.

Model pętli/wybrzuszenia

Zgodnie z tym modelem, DNA z regionu łącznikowego przejściowo przesuwa się wokół nukleosomu, tworząc wybrzuszenie/pętlę. Pętla następnie przemieszcza się wokół histonu, tworząc lub zakłócając interakcje histon-DNA. W ten sposób rdzeń nukleosomu ślizga się po nici DNA, odsłaniając regiony DNA dla aktywności genetycznej.

Biorąc pod uwagę złożoność fałdowania chromatyny, oba wyżej wymienione modele mogą współistnieć. Istnieją jednak konkretne pytania, na które oba modele nie wyjaśniają, co wskazuje, że rzeczywiste procesy mogą być jeszcze bardziej złożone. Na przykład, w jaki sposób osiąga się procesowość podczas przesuwania? W jaki sposób poszczególne elementy kompleksu remodelingowego uczestniczą w tym procesie? W jaki sposób remodelerzy współpracują z opiekunami histonów?

ATPaza remodelująca nukleosom bierze udział w kilku mechanizmach genetycznych, takich jak rozwojowa ekspresja genów, szybka transkrypcja w odpowiedzi na sygnały środowiskowe, replikacja genomu, nadzór nad uszkodzeniem DNA i naprawa.

Defekty w kompleksie przebudowy nukleosomów mają szeroki zakres konsekwencji. Podczas rozwoju embrionalnego niepowodzenie przebudowy nukleosomów może wpływać na żywotność i powodować wady morfologiczne. Może również prowadzić do problemów z naprawą DNA, co skutkuje niestabilnością genomu i rakiem.