Nukleosom und Histonoktamer

Das Nukleosom ist die grundlegende Wiederholungseinheit des Chromatins: ein kurzer DNA-Abschnitt, der fast zweimal um einen Kern aus acht Histonproteinen, dem Histonoktamer, gewickelt ist. Dieses Partikel verdichtet das Genom und schafft die erste Regulationsebene für die Zugänglichkeit von DNA-Sequenzen. Es ist der strukturelle Ausgangspunkt für das Verständnis der gesamten Chromatinbiologie.

Definition

Ein Nukleosom ist die Grundeinheit des Chromatins, bestehend aus etwa 147 Basenpaaren DNA, die um ein Histonoktamer gewickelt sind, das aus jeweils zwei Kopien der Kernhistone H2A, H2B, H3 und H4 besteht.

Scope

Dieses Thema behandelt die Zusammensetzung und Architektur des Nukleosom-Kernpartikels und des Histonoktamers, das in seinem Zentrum liegt. Es befasst sich mit den Kernhistonen, dem Verlauf der DNA um das Oktamer, der Rolle der Histonschwänze und wie diese Grundeinheit mit der Zugänglichkeit und der höherstufigen Verpackung des Genoms zusammenhängt. Es handelt sich um einen Referenzeintrag zur molekularen Struktur und ist keine klinische Leitlinie.

Core questions

• Welche Proteine bilden das Histonoktamer und wie ist die DNA darum angeordnet?
• Wie verdichtet die Wicklung der DNA zu Nukleosomen das Genom und schränkt gleichzeitig den Zugang dazu ein?
• Wie verbinden Histonschwänze, die aus dem Oktamer herausragen, Struktur und Regulation?

Key concepts

• Kernhistone (H2A, H2B, H3, H4)
• Histonoktamer
• Nukleosom-Kernpartikel (~147 bp)
• Histonschwänze
• Linker-DNA und Linker-Histon H1
• DNA-Wicklung und superhelikale Windungen

Key theories

Wiederkehrende nukleosomale Einheit des Chromatins

Kornberg schlug vor, dass Chromatin aus einer regelmäßig wiederkehrenden Einheit von Histonen und DNA aufgebaut ist; diese Erkenntnis identifizierte das Nukleosom als elementares Partikel der Genomverpackung und wurde später mit atomarer Auflösung bestätigt.

Mechanisms

Ein Oktamer setzt sich aus einem H3-H4-Tetramer zusammen, das von zwei H2A-H2B-Dimeren flankiert wird. Etwa 147 Basenpaare DNA wickeln sich in etwa 1,65 linkshändigen superhelikalen Windungen um diesen Proteinkern, mit Kontakten in regelmäßigen Abständen entlang der kleinen DNA-Furche. Die von Luger und Kollegen aufgelöste Kristallstruktur zeigte die genauen Positionen dieser Kontakte und die Trajektorie der flexiblen N-terminalen Histonschwänze, die aus dem Partikel herausragen und als Stellen für chemische Modifikationen dienen. Linker-DNA verbindet benachbarte Nukleosomen, und das Linker-Histon H1 bindet an den Eintritts- und Austrittspunkten, um die höherstufige Faltung zu stabilisieren. Da die an der Oktameroberfläche gebundene DNA teilweise verdeckt ist, begrenzt die Nukleosomenbildung von Natur aus den Zugang zu regulatorischen Sequenzen, und die Destabilisierung oder Neupositionierung von Nukleosomen ist ein primärer Weg zur Veränderung der Genaktivität.

Clinical relevance

Das Nukleosom ist das Substrat, auf dem Chromatinmodifikationen und -umbau wirken, daher sind seine Zusammensetzung und Stabilität grundlegend für das Verständnis der epigenetischen Regulation, die in Entwicklung und Krankheit untersucht wird. Variationen wie Histonvarianten und veränderte Nukleosomenstabilität sind aktive Forschungsbereiche. Dieser Eintrag beschreibt die molekulare Struktur und ist keine Grundlage für Diagnose oder Behandlung.

History

Vor Mitte der 1970er Jahre war die Organisation der DNA mit Histonen unklar. Kornbergs Vorschlag einer sich wiederholenden Histon-DNA-Einheit im Jahr 1974 etablierte das Nukleosomenmodell. In den folgenden zwei Jahrzehnten verfeinerten biochemische und strukturelle Studien das Bild, was 1997 in der hochauflösenden Kristallstruktur des Nukleosom-Kernpartikels gipfelte, die eine atomare Ansicht der Interaktion von DNA und Histonoktamer lieferte.

Key figures

• Roger Kornberg
• Karolin Luger
• Timothy Richmond
• Steven Henikoff

Seminal works

• kornberg-1974
• luger-1997

Frequently asked questions

Wie viele Histone sind in einem Nukleosomkern enthalten?

Acht: jeweils zwei Kopien der vier Kernhistone H2A, H2B, H3 und H4, die zusammen das Histonoktamer bilden, um das sich die DNA wickelt.

Wie viel DNA ist um ein Nukleosom gewickelt?

Etwa 147 Basenpaare DNA wickeln sich in ungefähr 1,65 Windungen um das Histonoktamer im Nukleosom-Kernpartikel, wobei zusätzliche Linker-DNA ein Nukleosom mit dem nächsten verbindet.