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. 1973. aastal esitles Cambridge'is 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 nukleosoomistruktuuri. 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. 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. 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 eri 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. 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. 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. Kuna DNA on nukleosoomi abil nii tihedalt kokku pakitud, siis transkriptsiooni toimudes nukleosoomi struktuur muutub: toimub nukleosoomi "libisemine" ja DNA seondumiskoha paljastumine. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Kes palju näeb, see palju teab Horisont, 6/2006 Reece, Jane; Campbell, Neil Biology. (2006) San Francisco: Benjamin Cummings In different crystals, values of 146 and 147 basepairs were observed. Luger K, Mäder AW, Richmond RK, Sargent DF, Richmond TJ (September 1997). "Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution". Nature p. 389 Olins AL, Olins DE (January 1974). "Spheroid chromatin units (v bodies)". Science 183 McDonald D (December 2005). "Milestone 9, (1973–1974) "The nucleosome hypothesis: An alternative string theory", Nature Milestones: Gene Expression Kornberg RD (May 1974). "Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA". Science 184 "Kromatiin ja kromosoomid" http://cellbio.ebc.ee/rakubio/kromatii.html, 05.10.12 Felsenfeld G, Groudine M (January 2003). "Controlling the double helix". Nature 421 Olins, Donald E., Olins Ada L. (October 2003). "Chromatin history: our view from the bridge" Nature p. 812 Chakravarthy S, Park YJ, Chodaparambil J, Edayathumangalam RS, Luger K (February 2005). "Structure and dynamic properties of nucleosome core particles". FEBS Lett. 579 Felsenfeld G, Groudine M (January 2003). "Controlling the double helix". Nature p.421 Davey CA, Sargent DF, Luger K, Maeder AW, Richmond TJ (June 2002). "Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 a resolution". J. Mol. Biol. 319 Segal E, Fondufe-Mittendorf Y, Chen L, et al. (August 2006). "A genomic code for nucleosome positioning". Nature 442 Zheng C, Hayes JJ (April 2003). "Structures and interactions of the core histone tail domains". Biopolymers p. 68 ( Pennings S, Muyldermans S, Meersseman G, Wyns L (May 1989). "Formation, stability and core histone positioning of nucleosomes reassembled on bent and other nucleosome-derived DNA". J. Mol. Biol. p. 207 Teif VB, Rippe K (2009). "Predicting nucleosome positions on the DNA: combining intrinsic sequence preferences and remodeler activities". Nucleic Acids Kristjuhan A, Svejstrup JQ. (2004). "Evidence for distinct mechanisms facilitating transcript elongation through chromatin in vivo. "EMBO p. 4246 Schwabish MA, Struhl K. (2004). "Evidence for eviction and rapid deposition of histones upon transcriptional elongation by RNA polymerase II".Mol. Cell. Biol. p. 10111-17 Li G, Levitus M, Bustamante C, Widom J (January 2005). "Rapid spontaneous accessibility of nucleosomal DNA". Nat. Struct. Mol. Biol. p. 48 Li G, Widom J (August 2004). "Nucleosomes facilitate their own invasion". Nat. Struct. Mol. Biol. 763–9 Cosgrove MS, Boeke JD, Wolberger C (November 2004). "Regulated nucleosome mobility and the histone code". Nat. Struct. Mol. Biol. p. 1037–43. Ye J, Ai X, Eugeni EE, et al. (April 2005). "Histone H4 lysine 91 acetylation a core domain modification associated with chromatin assembly". Mol. Cell p. 123–30. Bargaje R., Alam P., Patowary A., Sarkar M., Ali T., Gupta S., Garg M., Singh M., Purkanti R., Scaria V., Sivasubbu S., Brahmachari V., Pillai B. (2012). "Proximity of H2A.Z containing nucleosome to the transcription start site influences gene expression levels in the mammalian liver and brain." Nucleic Acids Research (Epub ahead of print). Selth, Luke A., Sigurdsson Stefan, Svejstrup Jesper Q. (May 2010). "Transcript Elongation by RNA Polümerase II" Biochem. p. 276 Lee W, Tillo D, Bray N, Morse RH, Davis RW, Hughes TR, Nislow C (2007). "A high-resolution atlas of nucleosome occupancy in yeast". Nature Genetics 1235–44 Albert I, Mavrich TN, Tomsho LP, Qi J, Zanton SJ, et al. (2007). "Translational and rotational settings of H2A.Z nucleosomes across the Saccharomyces cerevisiae genome". Nature p. 572–576 Li B, Carey M, Workman JL (2007). "The Role of Chromatin during Transcription". Cell p. 707–719 Whitehouse I, Rando OJ, Delrow J, Tsukiyama T (2007). "Chromatin remodelling at promoters suppresses antisense transcription". Nature p. 1031–1035 Eaton ML, Galani K, Kang S, Bell SP, MacAlpine DM (Apr 2010). "Conserved nucleosome positioning defines replication origins". Genes & Development Shivaswamy S, Bhinge A, Zhao Y, Jones S, Hirst M, et al. (2007). "Dynamic Remodeling of Individual Nucleosomes Across a Eukaryotic Genome in Response to Transcriptional Perturbation". PLoS Biol p. e65 Hayes JJ, Lee KM (May 1997). "In vitro reconstitution and analysis of mononucleosomes containing defined DNAs and proteins". Methods p. 2–9 Dyer PN, Edayathumangalam RS, White CL, et al. (2004). "Reconstitution of nucleosome core particles from recombinant histones and DNA". Meth. Enzymol. p. 23–44 Yenidunya A, Davey C, Clark D, Felsenfeld G, Allan J (April 1994). "Nucleosome positioning on chicken and human globin gene promoters in vitro. Novel mapping techniques". J. Mol. Biol. p. 401–14.