5.7: Ядро нуклеосомы

Нуклеосомы представляют собой комплекс ДНК-гистон, в котором цепь ДНК намотана вокруг ядра гистона. Ядро гистона представляет собой октамер, содержащий две копии белков-гистонов H2A, H2B, H3 и H4.

Парадокс

Нуклеосомы, как ни парадоксально, выполняют одновременно две противоположные функции. С одной стороны, их основная обязанность — защитить тонкие нити ДНК от физических повреждений и помочь достичь более высокого коэффициента уплотнения. С другой стороны, они должны позволять ферментам-полимеразам получать доступ к ДНК, связанной с гистонами, для репликации и транскрипции. Механизм, с помощью которого нуклеосомы решают эти две проблемы, заключается в частичном разворачивании ДНК из нуклеосом или модификациях гистоновых белков.

Основная структура

Белки ядра гистонов имеют общий структурно консервативный мотив, называемый «складкой гистонов», и имеют подвижный расширенный хвостовой участок. Гистоновая складка состоит из альфа-спиралей и петель. Во время димеризации гистонов петли двух белков-гистонов выравниваются вместе, образуя димер гистонов.

Каждый гистон связывается с тремя последовательными малыми бороздками ДНК. Альфа-спираль и N-концевой хвост каждого белка-гистона играют решающую роль в связывании с ДНК. Следовательно, любые химические модификации хвоста гистонов могут изменить сборку и функцию хроматина. Некоторые из наиболее распространенных модификаций гистонов включают ацетилирование, метилирование и фосфорилирование.

Варианты гистонов

Гистоновые белки имеют различные изоформы или варианты, такие как H2A.1, H2A.2, H2A.X, H3.3 или CENP-A. Эти варианты различаются аминокислотными последовательностями и выполняют разные функции. Нуклеосомы с вариантами гистонов значительно более подвижны, чем обычные нуклеосомы. Например, показано, что включение H2A.Z в нуклеосому активирует транскрипцию.

Частица ядра нуклеосомы состоит из октамера, который содержит четыре вида гистонов, и окружен левосторонней катушкой ДНК. Частицы ядра нуклеосомы играют важную роль в функции ДНК путем контроля уплотнения структуры ДНК и хроматина. Эта роль настолько важна, что гистоны являются одними из самых высокоплотных белков в эукариотах, от гороха, до коров и других организмов.

Например, есть только две различные аминокислоты из 102 для гистонов H4 растений гороха, и коровы. У этих четырёх видов гистонов, которые образуют частицу ядра нуклеосомы H2A, H2B, H3, и H4, некоторые характеристики совпадают. Во-первых, они все малы, и содержат не более 135-ти аминокислот.

Во-вторых, они имеют общий структурный мотив, гистонную складку. Гистонная складка состоит из трех альфа-спиралей, соединенных двумя петлями. Когда частицы ядра нуклеосомы собираются вместе, гистоные складки связываются друг с другом сначала во взаимодействии, которое описывается как рукопожатие, формируя два димера H2A, H2B и два димера H3, H4.После этого димеры H3, H4 образуют тетрамер, который далее формирует октамер частицы ядра нуклеосомы с помощью димеров H2A, H2B.

Структура этотого гистонного октамера порождает обширные взаимодействия между гистонами, и намотанной вокруг них ДНК. Имеется более 100 водородных связей между гистонами и ДНК нуклеосомного ядра. И многие из них находятся между ними аминокислотные основами гистонов и сахаро-фосфатным остовом ДНК.

Наконец, многие из аминокислот в каждом гистоне ядра это лизин или аргинин, которые имеют положительные заряды, эффективно нейтрализующие отрицательно заряженную основу ДНК.