نوکلئوزوم و اکتامر هیستون

نوکلئوزوم واحد تکرارشونده بنیادی کروماتین است: یک قطعه کوتاه DNA که تقریباً دو بار به دور هسته‌ای متشکل از هشت پروتئین هیستون، یعنی اکتامر هیستون، پیچیده شده است. این ذره هم ژنوم را فشرده می‌کند و هم اولین لایه تنظیم را بر روی توالی‌های DNA قابل دسترس ایجاد می‌کند. این نقطه شروع ساختاری برای درک تمام زیست‌شناسی کروماتین است.

Definition

نوکلئوزوم واحد اساسی کروماتین است که تقریباً از ۱۴۷ جفت باز DNA تشکیل شده که به دور یک اکتامر هیستون پیچیده شده است. این اکتامر از دو نسخه از هر یک از هیستون‌های هسته‌ای H2A، H2B، H3 و H4 تشکیل شده است.

Scope

این موضوع به ترکیب و معماری ذره هسته نوکلئوزوم و اکتامر هیستونی که در مرکز آن قرار دارد، می‌پردازد. هیستون‌های هسته‌ای، مسیر DNA در اطراف اکتامر، نقش دم‌های هیستون، و چگونگی ارتباط این واحد اساسی با دسترسی و بسته‌بندی مرتبه بالاتر ژنوم را مورد بررسی قرار می‌دهد. این یک مدخل مرجع در مورد ساختار مولکولی است و راهنمایی بالینی نیست.

Core questions

• چه پروتئین‌هایی اکتامر هیستون را تشکیل می‌دهند و DNA چگونه در اطراف آن آرایش یافته است؟
• چگونه پیچیدن DNA به نوکلئوزوم‌ها هم ژنوم را فشرده می‌کند و هم دسترسی به آن را محدود می‌سازد؟
• دم‌های هیستون که از اکتامر بیرون زده‌اند، چگونه ساختار را به تنظیم متصل می‌کنند؟

Key concepts

• هیستون‌های هسته‌ای (H2A, H2B, H3, H4)
• اکتامر هیستون
• ذره هسته نوکلئوزوم (~۱۴۷ جفت باز)
• دم‌های هیستون
• DNA رابط و هیستون رابط H1
• پیچش DNA و دورهای سوپرهلیکس

Key theories

واحد نوکلئوزومی تکرارشونده کروماتین

کورنبرگ پیشنهاد کرد که کروماتین از یک واحد تکرارشونده منظم از هیستون‌ها و DNA ساخته شده است؛ این بینش نوکلئوزوم را به عنوان ذره ابتدایی بسته‌بندی ژنوم شناسایی کرد و بعدها در وضوح اتمی تأیید شد.

Mechanisms

یک اکتامر از یک تترامر H3-H4 که توسط دو دایمر H2A-H2B احاطه شده است، مونتاژ می‌شود. تقریباً ۱۴۷ جفت باز DNA حدود ۱.۶۵ دور سوپرهلیکس چپ‌گرد به دور این هسته پروتئینی می‌پیچد، با تماس‌هایی در فواصل منظم در طول شیار کوچک DNA. ساختار بلوری که توسط لوگر و همکارانش حل شد، موقعیت‌های دقیق این تماس‌ها و مسیر دم‌های انعطاف‌پذیر N-ترمینال هیستون را نشان داد که از ذره بیرون زده و به عنوان محل‌هایی برای تغییرات شیمیایی عمل می‌کنند. DNA رابط، نوکلئوزوم‌های مجاور را به هم متصل می‌کند و هیستون رابط H1 در نقاط ورودی و خروجی متصل می‌شود تا تاخوردگی مرتبه بالاتر را تثبیت کند. از آنجایی که DNA متصل به سطح اکتامر تا حدی مسدود شده است، تشکیل نوکلئوزوم ذاتاً دسترسی به توالی‌های تنظیمی را محدود می‌کند و بی‌ثبات کردن یا تغییر موقعیت نوکلئوزوم‌ها یک مسیر اصلی برای تغییر فعالیت ژن است.

Clinical relevance

نوکلئوزوم بستری است که تغییرات و بازسازی کروماتین بر روی آن عمل می‌کند، بنابراین ترکیب و پایداری آن برای درک تنظیم اپی‌ژنتیک که در رشد و بیماری مورد مطالعه قرار می‌گیرد، اساسی است. تغییراتی مانند واریانت‌های هیستون و پایداری تغییر یافته نوکلئوزوم، زمینه‌های تحقیقاتی فعال هستند. این مدخل ساختار مولکولی را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان نیست.

History

قبل از اواسط دهه ۱۹۷۰، سازماندهی DNA با هیستون‌ها نامشخص بود. پیشنهاد کورنبرگ در سال ۱۹۷۴ مبنی بر یک واحد تکرارشونده هیستون-DNA، مدل نوکلئوزوم را پایه‌گذاری کرد. در طول دو دهه بعد، مطالعات بیوشیمیایی و ساختاری این تصویر را اصلاح کردند که در نهایت به ساختار بلوری با وضوح بالا از ذره هسته نوکلئوزوم در سال ۱۹۹۷ منجر شد، که دیدگاهی اتمی از چگونگی تعامل DNA و اکتامر هیستون ارائه داد.

Key figures

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

Seminal works

• kornberg-1974
• luger-1997

Frequently asked questions

چند هیستون در هسته نوکلئوزوم وجود دارد؟

هشت عدد: دو نسخه از هر یک از چهار هیستون هسته‌ای H2A، H2B، H3 و H4، که با هم اکتامر هیستون را تشکیل می‌دهند و DNA به دور آن می‌پیچد.

چه مقدار DNA به دور یک نوکلئوزوم پیچیده شده است؟

حدود ۱۴۷ جفت باز DNA تقریباً ۱.۶۵ دور به دور اکتامر هیستون در ذره هسته نوکلئوزوم می‌پیچد، با DNA رابط اضافی که یک نوکلئوزوم را به دیگری متصل می‌کند.