Back to chapter

5.8:

Ремоделирование нуклеосом

JoVE Core
Molecular Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Molecular Biology
Nucleosome Remodeling

Languages

Share

Упорядоченная аранжировка нуклеосом приводит в компактной и защитщённой организации хроматина, которая может затруднить доступ к генетической информации несколькими способами. Во-первых, ДНК-связывающие белки, такие как РНК-полимераза, не могут легко ассоциироваться с ДНК, связаннаой с гистономной поверхностью. В дополнение, ДНК, намотанная вокруг гистона, сильно изогнутыйа, что делает её неузнаваемой ДНК-связывающиех белков.Наконец, без гистона белки хроматина могут быть связаны с нуклеосомами, вызывая дальнейшее уплотнение. Следовательно, эукариотические клетки имеют ферменты, которые называются АТФ-зависимый хроматин ремоделирующий комплекс, что может временно и локально реконструировать нуклеосомы. Эти комплексы содержат субъединицу, гидролизующая АТФ которая связывается с обеими, гистоновыеми белками и ДНК, намотанной вокруг них.Гидролиз АТФ обеспечивает энергию, которая требуется, чтобы нарушить взаимодействие между гистонным ядром и ДНК. Энергия, полученная от нескольких раундов гидролиза АТФ, позволяет ремоделировать комплексы, вызвывая скольжение нуклеосом, процесс, в котором гистон перемещается по ДНК не отделяясь от неё. Скольжение нуклеосом лучше всего объяснено модель распространения петли-выпуклости.Здесь ДНК из область линкера выталкивается на ядро гистона, образуя петлю. Затем эта выпуклость распространяется вокруг гистонового ядра как волна, разбивающаяся и реформирующая взаимодействия гистонов с ДНК. Этот процесс сдвигает гистоновое ядро вдоль ДНК, открывая до этого недоступные последовательности ДНК.Ремоделирующие комплексы, в ассоциации с гистоновыми шаперонами, способствуют частичной или полной замене ядра из октамеров нуклеосом, косвенно влияющий на сворачивание хроматина. Например, замена гистона H3 центромер-специфическими гистонами H3 отмечает расположение центромера на хромосоме. Негистоновые связывающте ДНК белки также влияют на нуклеосому;её положение и стабильность.Некоторые связанные белки могут благоприятствовать образованию нуклеосом. А другие белки могут не допускать нуклеосомы формироваться поблизости от них. Точное место нуклеосом поэтому зависит от характера негистоновых ДНК-связывающих белкиов.А из-за наличия комплекссов ремоделирования хроматина, состав и расположение нуклеосом очень динамичен.

5.8:

Ремоделирование нуклеосом

Нуклеосомы являются основными единицами упаковки хроматина. Каждая нуклеосома состоит из ДНК, плотно обмотанной вокруг гистонового кора, что делает ДНК недоступной для связывающихся с ДНК белков, таких как ДНК-полимераза и РНК-полимераза. Следовательно, основная проблема заключается в обеспечении доступа к ДНК, когда это необходимо, несмотря на компактную и защитную структуру хроматина.

Комплекс ремоделирования нуклеосом

Эукариотические клетки содержат специальные ферменты, называемые АТФ-зависимыми ферментами ремоделирования нуклеосом. Эти ферменты связываются как с гистоном, так и с намотанной ДНК и могут способствовать скольжению нуклеосом – процессу, при котором ДНК выталкивается относительно гистонового кора – или частичной или полной замене гистонового кора, изменяя нуклеосомную структуру и косвенно влияя на укладку хроматина. Одним из наиболее известных комплексов ремоделирования является Swi/Snf, первоначально обнаруженный в дрожжах.

Механизм действия

Предлагаются две модели для объяснения скольжения нуклеосом – диффузия скручивания и распространение петель/выпуклостей. Обе эти модели предполагают, что искажение ДНК распространяется по поверхности нуклеосомы.

Модель диффузии скручивания

Согласно этой модели, одна пара оснований переносится между линкерной ДНК и ДНК, обернутой вокруг гистонового кора. Это изменение основания заставляет нуклеосомную ДНК скручиваться или раскручиваться, чтобы приспособиться к приобретению/потере пары оснований. Затем дефект скручивания распространяется вокруг нуклеосомы от одного сегмента ДНК к другому в процессе, известном как диффузия скручивания. Таким образом, гистоновый октамер сместится вдоль ДНК на размер искажения.

Модель петли/выпуклости

Согласно этой модели, ДНК из линкерной области временно перемещается вокруг нуклеосомы, создавая выпуклость/петлю. Затем петля перемещается по гистону, создавая или нарушая взаимодействия гистона с ДНК. Таким образом, кор нуклеосомы скользит по цепи ДНК, освобождая участки ДНК для генетической активности.

Учитывая сложность сворачивания хроматина, обе упомянутые выше модели могут сосуществовать. Тем не менее, существуют конкретные вопросы, на которые обе модели не отвечают, указывая на то, что фактические процессы могут быть еще более сложными. Например, как достигается процессивность при скольжении? Как каждый элемент ремоделирующего комплекса участвует в процессе? Как ремоделеры взаимодействуют с гистоновыми шаперонами?

АТФаза, ремоделирующая нуклеосомы, задействована в нескольких генетических механизмах, таких как экспрессия генов развития, быстрая транскрипция в ответ на сигналы окружающей среды, репликация генома, мониторинг повреждений ДНК и репарация.

Дефекты в комплексе ремоделирования нуклеосом имеют широкий спектр последствий. При эмбриональном развитии невозможность ремоделирования нуклеосом может повлиять на жизнеспособность и привести к морфологическим дефектам. Это также может привести к проблемам с репарацией ДНК, что приведет к нестабильности генома и раку.

Suggested Reading

  1. Molecular Biology of Cell, Alberts, 6th edition, Pages 190-191
  2. Bowman, Gregory D. "Mechanisms of ATP-dependent nucleosome sliding." Current opinion in structural biology 20, no. 1 (2010): 73-81.
  3. Becker, Peter B. "Nucleosome sliding: facts and fiction." The EMBO journal 21, no. 18 (2002): 4749-4753.