นิวคลีโอโซมและฮิสโตนออกตาเมอร์

นิวคลีโอโซมเป็นหน่วยพื้นฐานที่ซ้ำกันของโครมาติน: สายดีเอ็นเอสั้นๆ ที่พันรอบแกนกลางของโปรตีนฮิสโตนแปดตัว หรือฮิสโตนออกตาเมอร์เกือบสองรอบ อนุภาคนี้ทำหน้าที่ทั้งอัดแน่นจีโนมและสร้างชั้นแรกของการควบคุมว่าลำดับดีเอ็นเอใดสามารถเข้าถึงได้ เป็นจุดเริ่มต้นเชิงโครงสร้างสำหรับการทำความเข้าใจชีววิทยาของโครมาตินทั้งหมด

Definition

นิวคลีโอโซมเป็นหน่วยพื้นฐานของโครมาติน ประกอบด้วยดีเอ็นเอประมาณ 147 คู่เบสที่พันรอบฮิสโตนออกตาเมอร์ ซึ่งประกอบด้วยฮิสโตนแกนกลาง H2A, H2B, H3 และ H4 อย่างละสองชุด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมองค์ประกอบและสถาปัตยกรรมของอนุภาคแกนกลางนิวคลีโอโซมและฮิสโตนออกตาเมอร์ที่อยู่ตรงกลาง กล่าวถึงฮิสโตนแกนกลาง เส้นทางของดีเอ็นเอรอบออกตาเมอร์ บทบาทของหางฮิสโตน และความสัมพันธ์ของหน่วยพื้นฐานนี้กับการเข้าถึงและการจัดเรียงจีโนมในระดับที่สูงขึ้น เป็นข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลและไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• โปรตีนใดบ้างที่ประกอบเป็นฮิสโตนออกตาเมอร์ และดีเอ็นเอจัดเรียงตัวรอบๆ อย่างไร?
• การพันดีเอ็นเอเข้าสู่นิวคลีโอโซมทำให้จีโนมอัดแน่นและจำกัดการเข้าถึงได้อย่างไร?
• หางฮิสโตนที่ยื่นออกมาจากออกตาเมอร์เชื่อมโยงโครงสร้างกับการควบคุมได้อย่างไร?

Key concepts

• ฮิสโตนแกนกลาง (H2A, H2B, H3, H4)
• ฮิสโตนออกตาเมอร์
• อนุภาคแกนกลางนิวคลีโอโซม (~147 bp)
• หางฮิสโตน
• ดีเอ็นเอเชื่อมโยงและฮิสโตนเชื่อมโยง H1
• การพันดีเอ็นเอและการพันแบบซูเปอร์เฮลิกซ์

Key theories

หน่วยนิวคลีโอโซมที่ซ้ำกันของโครมาติน

Kornberg เสนอว่าโครมาตินสร้างขึ้นจากหน่วยฮิสโตนและดีเอ็นเอที่ซ้ำกันอย่างสม่ำเสมอ ความเข้าใจนี้ระบุนิวคลีโอโซมว่าเป็นอนุภาคพื้นฐานของการบรรจุจีโนม และได้รับการยืนยันในภายหลังด้วยความละเอียดระดับอะตอม

Mechanisms

ออกตาเมอร์ประกอบขึ้นจาก H3-H4 เตตราเมอร์ที่ขนาบข้างด้วย H2A-H2B ไดเมอร์สองชุด ดีเอ็นเอประมาณ 147 คู่เบสพันรอบแกนโปรตีนนี้ประมาณ 1.65 รอบแบบซูเปอร์เฮลิกซ์ซ้าย โดยมีการสัมผัสกันเป็นระยะตามร่องเล็กของดีเอ็นเอ โครงสร้างผลึกที่ Luger และคณะได้ไขความกระจ่างแสดงตำแหน่งที่แม่นยำของการสัมผัสเหล่านี้และวิถีของหางฮิสโตน N-เทอร์มินัลที่ยืดหยุ่น ซึ่งยื่นออกมาจากอนุภาคและทำหน้าที่เป็นตำแหน่งสำหรับการปรับเปลี่ยนทางเคมี ดีเอ็นเอเชื่อมโยง (Linker DNA) เชื่อมนิวคลีโอโซมที่อยู่ติดกัน และฮิสโตนเชื่อมโยง H1 จะจับที่จุดเข้าและออกเพื่อทำให้การพับตัวในระดับที่สูงขึ้นมีเสถียรภาพ เนื่องจากดีเอ็นเอที่จับอยู่บนพื้นผิวออกตาเมอร์ถูกบดบังบางส่วน การก่อตัวของนิวคลีโอโซมจึงจำกัดการเข้าถึงลำดับการควบคุมโดยธรรมชาติ และการทำให้ไม่เสถียรหรือการจัดตำแหน่งนิวคลีโอโซมใหม่เป็นเส้นทางหลักในการเปลี่ยนแปลงกิจกรรมของยีน

Clinical relevance

นิวคลีโอโซมเป็นสารตั้งต้นที่การปรับเปลี่ยนและการปรับโครงสร้างโครมาตินกระทำ ดังนั้นองค์ประกอบและความเสถียรของมันจึงเป็นรากฐานสำคัญในการทำความเข้าใจการควบคุมเอพิเจเนติกส์ที่ศึกษาในการพัฒนาและโรค ความแปรผันต่างๆ เช่น ฮิสโตนแวเรียนต์และความเสถียรของนิวคลีโอโซมที่เปลี่ยนแปลงไปเป็นสาขาของการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ ข้อมูลนี้อธิบายโครงสร้างโมเลกุลและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

ก่อนกลางทศวรรษ 1970 การจัดระเบียบของดีเอ็นเอกับฮิสโตนยังไม่ชัดเจน ข้อเสนอของ Kornberg ในปี 1974 เกี่ยวกับหน่วยฮิสโตน-ดีเอ็นเอที่ซ้ำกันได้สร้างแบบจำลองนิวคลีโอโซมขึ้นมา ในช่วงสองทศวรรษต่อมา การศึกษาทางชีวเคมีและโครงสร้างได้ปรับปรุงภาพให้สมบูรณ์ขึ้น โดยมีจุดสูงสุดในปี 1997 ด้วยโครงสร้างผลึกความละเอียดสูงของอนุภาคแกนกลางนิวคลีโอโซม ซึ่งให้มุมมองระดับอะตอมว่าดีเอ็นเอและฮิสโตนออกตาเมอร์มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร

Key figures

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

Seminal works

• kornberg-1974
• luger-1997

Frequently asked questions

มีฮิสโตนกี่ตัวในแกนกลางนิวคลีโอโซม?

แปดตัว: ฮิสโตนแกนกลาง H2A, H2B, H3 และ H4 อย่างละสองชุด ซึ่งรวมกันเป็นฮิสโตนออกตาเมอร์ที่ดีเอ็นเอพันรอบ

ดีเอ็นเอพันรอบนิวคลีโอโซมหนึ่งตัวมากน้อยเพียงใด?

ดีเอ็นเอประมาณ 147 คู่เบสพันรอบฮิสโตนออกตาเมอร์ประมาณ 1.65 รอบในอนุภาคแกนกลางนิวคลีโอโซม โดยมีดีเอ็นเอเชื่อมโยงเพิ่มเติมที่เชื่อมโยงนิวคลีโอโซมหนึ่งกับอีกนิวคลีโอโซมหนึ่ง