Nukleosoom

Nukleosoom on valdavalt eukarüootides paiknev DNA ja valkude kompleks, mille abil on DNA pakitud kõrgemat järku struktuuri, et ta tuuma ära mahuks. Nukleosoom koosneb histoonidest moodustunud tuumikust ja selle ümber keerdunud DNA-st. Tuumik sisaldab nelja histoonipaari, mis moodustavad histoonide oktameeri.
Nukleosoomid pakitakse kõrgemat järku struktuuridesse, kuni tekib kromosoom; see muudab DNA kompaktsemaks ja suurendab regulatoorset kontrolli, mis kindlustab õige geeniekspressiooni. Arvatakse, et nukleosoomid kannavad histoonides epigeneetiliselt pärilikku informatsiooni kovalentsete modifikatsioonide kujul.
Nukleosoom koosneb umbes 147  DNA aluspaarist, mis on keerdunud histoonide oktameeri ümber. Histoonide oktameer on moodustunud neljast histoonist (H2A, H2B, H3 ja H4), millest igat leidub oktameeris kahes korduses. Nukleosoomid on omavahel ühendatud linker-DNA lõiguga, mis võib-olla kuni 80 aluspaari pikkune. Nukleosoomi hüpoteesid esitasid esimest korda Don ja Ada Olins ja Roger Kornberg  1974. aastal.
Linker-DNA-le seondub histoon H1, mis vastutab DNA kõrgema järgu struktuuri pakkimise eest.
Histoonide ekvivalente ja lihtsustatud kromatiini struktuure on leitud ka arhedes, mis näitab seda, et eukarüoodid ei ole ainukesed organismid, kes kasutavad nukleosoome.

Ajalugu

1973. aastal esitles Cambridges töötav R. Kornberg oma kromatiini struktuuri mudelit, tuues esimest korda välja, et umbes 200 DNA aluspaari moodustavad nelja histoonipaariga kompleksi, mida hakati 1975. aastal nimetama nukleosoomiks. Aastal 1997 sai Richmondi grupp esimest korda ülevaate nukleosoomi kristallstruktuurist, mille kaudu olid näha osakese olulisemad detailid. 2005. aastaks oli uuritud üle 20 erineva nukleosoomi struktuuri.

Nukleosoomi ehitus

Nukleosoom koosneb umbes 147 aluspaarist  DNA-st, mis ümbritseb 1,67 tiiru ulatuses histoonide oktameeri. Histoonide oktameer koosneb neljast histoonist, mida esineb kahes koopias: H2A, H2B, H3 ja H4. Kõrvutiolevad nukleosoomid on ühendatud vaba DNA lõiguga, mida nimetatakse linker-DNA-ks (selle pikkus on 10–80 aluspaari, olenevalt liigist ja koetüübist).
Nukleosoome on võimalik elektronmikroskoobiga näha interfaasi ajal.

Valgu interaktsioonid nukleosoomis

Tuumikus olevaid histoone iseloomustab kindel struktuurimotiiv, mida nimetatakse "histoonivoldiks". See koosneb kolmest α-heeliksist (α1, α2, α3), mis on eraldatud kahe linguga (L1–2). Selle kaudu moodustavad histoonid H2A ja H2B heterodimeerid ning H3 ja H4 heterotetrameerid. Histoonid dimeriseeruvad antiparalleelselt pikkade α2 heeliksite kaudu. H3 ja H4 puhul moodustavad kaks H3-H4 dimeeri omavahel neljaheeliksilise kompleksi, mida stabiliseerib H3 interaktsioon teise H3‘-ga. H2A/H2B dimeer seondub H3/H4 tetrameeriga H2B ja H4 vaheliste reaktsioonide tõttu. Tekkiv kompleks on hüdrofoobne. Histoonide oktameer moodustatakse kesksest H3/H4 tetrameerist, mida ümbritsevad mõlemalt poolt H2A/H2B dimeerid. Kuna kõigil neljal tuumiku histoonil on kõrge laeng, siis on oktameer stabiilne ainult DNA juuresolekul või väga kõrge soola kontsentratsiooni puhul.

Histooni ja DNA vahelised interaktsioonid

Nukleosoomis toimub üle 120 otsese valgu-DNA interaktsiooni ning mitusada vee abil toimuvat reaktsiooni. Otsesed valk-DNA interaktsioonid ei ole oktameeri pinnal ühtlaselt jaotunud, vaid on koondunud erinevatesse kohtadesse. Seda seetõttu, et oktameeris on kaht tüüpi DNA seondumissaiti: α1α1 sait, mis tekib α1 heeliksitest kahest kõrvuti histoonist ning L1L2 sait, mis on moodustunud L1 ja L2 lingudest. Tüüpilisemad interaktsioonid DNA-ga on vesiniksideme tekkimine kõrvalahela aluse ja DNA hüdroksüülgrupi vahel ning peaahela amiidi seondumine DNA selgroo fosfaatidega. Ehkki nukleosoomid kipuvad eelistama ühte DNA järjestust teisele, on nad võimelised seonduma praktiliselt iga järjestusega.

Histoonide sabad

Histooni N-terminaalsed sabad moodustavad umbes 30% histoonimassist, kuid neid ei ole nukleosoomide kristallstruktuurides näha, sest nad on väga painduvad. Kahe DNA ahela väiksed vaod tekitavad kanalid, mida histoonide H3 ja H2B N-terminaalsed sabad läbivad. Nad sisenevad DNAsse iga 20 aluspaari tagant. Histooni H4 N-terminaalses sabas on aluseliste aminohapete rohke regioon (16–25 aminohapet), mis interakteerub teise nukleosoomi H2A-H2B dimeeri happelise pinnaga. See interaktsioon häirib kromatiini kõrgema struktuuri tekkimist.

Kõrgem struktuur

Et kromatiin oleks veel kompaktsem, pakitakse ta kõrgemat järku struktuuridesse, millest veel väga palju ei teata. Praegune arusaam on see, et järjestikused nukleosoomid moodustavad linker-DNA-ga seondudes 10 nm kromatiini fiibri pakkimisteguriga 5–10. Seejärel moodustub 30 nm fiiber, mille pakkimistegur on 50  ja mille moodustumine sõltub H1 olemasolust. Järgneb 30 nm fiibri voltumine ümber keskse valgukompleksi, et moodustada transkriptsiooniliselt aktiivne eukromatiin. Edasine voltumine viib transkriptsiooniliselt mitteaktiivse heterokromatiini tekkele.

Nukleosoomi dünaamika

Kuna DNA on nukleosoomi abil nii tihedalt kokku pakitud, siis transkriptsiooni toimudes nukleosoomi struktuur muutub: toimub nukleosoomi "libisemine" ja DNA seondumiskoha paljastumine.

Nukleosoomi libisemine

Eksperimentidest, kus mõõdeti pärmi GAL geenides histoonide tihedust, leiti, et geenide aktiveerimine põhjustab nukleosoomide kadu nii promootoris kui ka kodeerivates piirkondades.
Hilisem töö näitas, et nukleosoomi oktameer mitte ei lagune, vaid nukleosoomid libisevad mööda DNA-d cis-vormis kõrvalolevatele järjestustele.

DNA seondumiskoha paljastamine

Nukleosoomset DNA-d on nii pakitud kui pakkimata olekus võrdselt. Arvutused näitavad, et nukleosoomne DNA püsib pakitult 250 ms, siis pakitakse ta 10–50 ms jooksul lahti ning seejärel pakitakse DNA uuesti kokku tagasi. See näitab, et DNA ei pea transkriptsiooni toimumiseks olema nukleosoomist täielikult eraldunud, vaid on mõne aja vältel ligipääsetavam.

Nukleosoomi struktuuri moduleerimine

Kogu eukarüootide genoom on seotud kromatiiniga. DNA replikatsiooni, reparatsiooni ja transkriptsiooni reguleerimise jaoks peavad rakud kromatiini üle kõrget kontrolli omama. Selleks on rakud arendanud välja erinevad meetmed, et muuta kromatiini struktuuri ja funktsiooni. Meetmed hõlmavad histoonide modifikatsioone, erinevate histoonivariantide kasutamist ja mittekovalentset kromatiini remodelleerimist ATP-sõltuvate remodelleerivate ensüümide abil.

Translatsioonijärgsed muutused histoonil

Posttranslatsioonilised muutused mõjutavad nukleosoomis toimuvaid histoon-DNA ja histoon-histoon vahelisi interaktsioone. Modifikatsioonid (atsetüleerimine, fosforüleerimine), mis vähendavad tuumiku laengut, nõrgestavad sidet DNA ja histoonide vahel. Mõned modifikatsioonid on seotud geenivaigistamisega, teised aga geeniekspressiooniga. Tavalisemad modifikatsioonid on atsetüleerimine, metüleerimine, lüsiini ubikvitineerimine, arginiini metüleerimine ja seriini fosforüleerimine. Sel teel säilitatud informatsiooni peetakse epigeneetiliseks, sest see ei ole DNA-s kodeeritud, kuid on tütarrakkude kaudu päritav.

Erinevad histoonivariandid

Histoone H2A ja H3 saab asendada, kuid histoone H2B ja H4 mitte. H2A-d saab asendada H2AZ-ga (see vähendab nukleosoomi stabiilsust) või H2AX-ga (seda seostatakse DNA parandamise ja T-rakkude diferentseerumisega). H3 saab asendada H3.3-ga; tsentromeerides asendatakse H3 CENPA-ga.

ATP-sõltuv kromatiini remodelleerimine

Eukarüoodid on välja arendanud suure perekonna ATP-sõltuvaid kromatiini remodelleerivaid faktoreid, et remodelleerida kromatiini struktuuri. Kromatiini remodelleerimise all mõistetaksegi nukleosoomide liigutamist DNA-l. ATP-sõltuvad remodelleerivad faktorid muudavad kõik eri viisidel ligipääsetavust DNA-le.
Näiteks leidsid Workman ja ta kolleegid, et üks ATP-sõltuv kromatiini remodelleeriv ensüüm RSC stimuleerib RNA polümeraas II transkriptsiooni elongatsiooni. Histooni atsetüleerimine suurendab nukleosoomi afiinsust RSC suhtes, mis seejärel "harutab" nukleosoomid lahti, et tagada sellele kohale RNA polümeraas II juurdepääs.

Dünaamilise nukleosoomi remodelleerimine pärmi genoomis

Umbes 80% pärmi genoomist on kaetud nukleosoomidega.  Uuringute käigus 2007. aastal positsioneeriti pärmi nukleosoomid ning näidati, et nukleosoomid puuduvad promootorpiirkonnas ja replikatsiooni alguspunktides. Nukleosoomid asuvad piirkondades, mis reguleerivad transkriptsiooni ning mis algatavad DNA replikatsiooni. Nukleosoomide eemaldamine on seotud transkriptsiooni algusega. Nukleosoomide asendamine aga transkriptsiooni repressiooniga.

Nukleosoomi kunstlik kokkupanek

Nukleosoome saab kunstlikult kokku panna, kasutades puhastatud või rekombinantseid histoone. Üks tehnika, kuidas DNA ümber histoonide saada, on soola dialüüsi kasutamine. Reaktsiooniks on vaja histoonide oktameeri ja DNA-d, mida inkubeeritakse 2M soola kontsentratsioonil. Soola kontsentratsiooni aeglaselt tõstes, jõuab DNA tasemele, kus ta on keerdunud ümber histoonide oktameeride, moodustades nukleosoome.