Nucleosoma

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.

Os nucleosomas son as unidades básicas por medio das que se realiza a compactación do ADN nos eucariotas. Constan dun segmento de ADN enrolado arredor dun núcleo de proteínas histonas.[1] Esta estrutura é a miúdo comparada a un fío enrolado nun carrete.[2]

Os nucleosomas foirman as unidades repetidas básicas da cromatina eucariótica,[3] que se usan para empaquetar os grandes xenomas eucarióticos no núcleo permitindo ao mesmo tempo un adecuado acceso a el (en células de mamíferos debe empacarse aproximadamente unha lonxitude de 2 m de ADN dentro dun núcleo duns 10 µm de diámetro). A cadea de nucleosomas pode pregarse formando unha serie de estruturas de orde progresivamente superior, ata orixinar finalmente os cromosomas; isto compacta o ADN e á vez crea un novo nivel de control regulatorio que asegura a correcta expresión dos xenes. Pénsase que os nucleosomas levan información epixenética herdada en forma de modificacións covalentes no seu núcleo de histonas. Don e Ada Olins [4] e Roger D. Kornberg.[5][6]propuxeron en 1974 a hipótese do nucleosoma para explicar isto.

O núcleo do nucleosoma consta de aproximadamente 147[7] pares de bases de ADN enrolado á esquerda dando 1,67 voltas superhelicoidais arredor do octámero de histonas formado por dúas copias de cada unha das catro histonas: H2A, H2B, H3, e H4.[8] As partículas do núcleo (core) do nucleosoma están conectadas por tramos de "ADN espazador", que pode ter uns 80 pares de bases de longo. Tecnicamente, o nucleosoma defínese como dito núcleo máis unha desas rexións espazadoras de ADN; aínda que a palabra se usa con frecuencia como sinónimo do núcleo ou core.[9]

As histonas de unión (linker) como a H1 e as súas isoformas están implicadas na compactación da cromatina e sitúanse na base do nucleosoma preto dos puntos de entrada e saída do ADN e unidas ás rexións espazadoras do ADN.[10] Os nucleosomas non condensados sen as histonas de unión (H1) semellan vistos ao microscopio electrónico as "doas dun colar de ADN".[11]

A diferenza da maioría das células eucarióticas, as células espermáticas maduras usan en gran medida protaminas para compactar o seu ADN xenómico, moi probablemente para acadar un grao de compactación aínda maior.[12] Nas arqueas atopáronse tamén equivalentes das histonas e unha estrutura da cromatina simplificada,[13] o que proba que os eucariotas non son os únicos organismos que posúen nucleosomas.

Estrutura[editar | editar a fonte]

Estrutura do núcleo (core) do nucleosoma[editar | editar a fonte]

Estrutura cristalina do núcleo dun nucleosoma, que consta das histonas do octámero H2A , H2B , H3 e H4 , e ADN. Vista desde a parte superior do eixe da superhélice.

Visión de conxunto[editar | editar a fonte]

Os primeiros estudos estruturais xa forneceron probas de que o ADN rodeaba un octámero de histonas dando case dúas voltas nunha superhélice levoxira. En 1997 O grupo de Richmond resolveu a primeira estrutura cristalina do nucleosoma con resolución case atómica, na que se mostraban algúns dos principais detalles desta partícula. Hai que sinalar, porén, que o o ADN palindrómico alfa-satélite humano, fundamental para conseguir a estrutura cristalina do nucleosoma de 1997, obtívose en realidade polo grupo de Bunick no Laboratorio nacional de Oak Ridge, en Oak Ridge, Tennessee.[14][15] O grupo de investigación de Bunick foi pioneiro no desenvolvemento do ADN palindrómico alfa-satélite humano e isto foi un avance esencial para poder determinar a estrutura do núcleo do nucleosoma con alta resolución.[16][17][18]

Ata agora foron resoltas as estruturas duns 20 núcleos de nucleosomas distintos,[19] incluíndo aqueles que contiñan variantes das histonas normais e histonas de diferentes especies. A estrutura do núcleo ou core do nucleosoma está extraordinariamente conservada na evolución, e medidas comparativas de nucleosomas de especies tan diferentes como o sapo Xenopus e o lévedo Saccharomyces mostran unha desviación estatística mínima.[20]

O núcleo ou core do nucleosoma[editar | editar a fonte]

A partícula nuclear do nucleosoma (mostrada na figura) consta dunhas 146[7] pares de bases de ADN enrolado dando 1,67 voltas de superhélice levoxira arredor do octámero de histonas, e consta de dúas copias de cada unha das catro histonas core H2A, H2B, H3, e H4. Os nucleosomas contiguos están unidos por un tramo de ADN libre chamado ADN espazador ou linker DNA (que varía en lonxitude de 10 - 80 pares de bases dependendo da especie e tipo de tecido[13]).

Interaccións proteicas no nucleosoma[editar | editar a fonte]

As proteínas histonas do octámero conteñen un motivo estrutural característico denominado "pregamento de histona" que consiste en tres alfa-hélices (α1-3) separadas por dous bucles (L1-2). En disolución as histonas forman heterodímeros H2A-H2B e heterotetrámeros H3-H4. As histonas dimerízanse polas súas longas hélices α2 con orientación antiparalela, e no caso das H3 e H4, dous destes dímeros forman un grupo de 4 hélices estabilizado por unha intensa interacción H3-H3. O dímero H2A/H2B únese ao tetrámero H3/H4 debido a interaccións entre H4 e H2B, as cales inclúen a formación dun agrupamento hidrofóbico.[8] O octámero de histonas está formado por un tetrámero central H3/H4 que queda en medio de dous dímeros H2A/H2B. Debido á forte carga básica (positiva) dos catro tipos de histonas do octámero, o octámero é só estable en presenza do ADN ou en concentracións salinas moi altas.

Interaccións histona-ADN[editar | editar a fonte]

No nucleosoma establécense unhas 120 interaccións directas proteína-ADN e varios centos de interaccións indirectas mediadas pola auga.[21] As interaccións directas proteína-ADN non se producen regularmente por toda a superficie do octámero senón que máis ben están localizadas en sitios concretos. Isto débese á formación de dous tipos sitios de unión do ADN no octámero; o sitio α1α1 que usa a forma de hélice α1 de dúas histonas adxacentes e o sitio L1L2 formado polos bucles L1 e L2. As principais interaccións co ADN son enlaces salinos (electrostáticos) e enlaces de hidróxeno entre os grupos básicos e hidroxilo das cadeas laterais dos aminoácidos ou os grupos amida da cadea proteínica, e os fosfatos do ADN. Isto é importante dado que a ubicua distribución dos nucleosomas nos xenomas require que o factor de unión ao ADN non sexa específico da secuencia. Aínda que os nucleosomas tenden a preferir algunhas secuencias do ADN máis ca outras,[22] poden unirse a practicamente calquera secuencia, o que se pensa que se debe á flexibilidade na formación desas interaccións mediadas por moléculas de auga. Ademais, establécense interaccións non polares entre cadeas laterais das proteínas e os grupos desoxirribosa, e unha cadea lateral de arxinina intercálase no suco menor do ADN en todos os 14 puntos en que este queda fronte á superficie do octámero. A distribución e a forza dos sitios de unión do ADN sobre a superficie do octámero distorsiona o ADN situado sobre o núcleo do nucleosoma. O ADN non está uniformemente dobrado e contén defectos de torsión. A torsión da forma B do ADN libre en disolución é de 10,5 pares de bases por volta, pero a torsión total do ADN do nucleosoma é de só 10,2 pares de bases por volta, variando desde un valor de 9.4 a 10.9 pares de bases por volta.

Dominios da cola das histonas[editar | editar a fonte]

As extensión con forma de cola das histonas supoñen o 30% da masa das histonas, pero non son visibles nas estruturas cristalinas do nucleosoma debido á súa grande flexibilidade, e crese que están moi desestructuradas.[23] As colas N-terminais das histonas H3 e H2B pasan a través dunha canle formada polos sucos menores das dúas cadeas do ADN, sobresaíndo do ADN cada 20 pares de bases. Por outra parte, a cola N-terminal da histona H4 ten unha rexión de aminoácidos moi básicos (16-25), a cal, na estrutura cristalina, establece unha interacción coa rexión superficial fortemente acídica do dímero H2A-H2B doutro nucleosoma, o que é potencialmente relevante para establecer estruturas de orde superior nos nucleosomas. Esta interacción pénsase que acontece tamén en condicións fisiolóxicas e suxire que a acetilación da cola da H4 distorsiona as estruturas de orde superior da cromatina.

Estruturas de orde superior[editar | editar a fonte]

Modelo actual da compactación da cromatina.

O grao de organización do ADN ao que se chega nos nucleosomas non explica totalmente a compactación do ADN observada no núcleo. Cómpre que exista unha compactación da cromatina de grao superior, pero non se comprende totalmente. Os coñecementos actuais[19] son que a sucesión de nucleosomas co seu ADN espazador forman a fibra de 10  nm da cromatina, coñecida descritivamente como o "colar de doas", que ten unha razón de compactación de aproximadamente 5 a 10.[13] A cadea de nucleosomas pode dispoñerse formando a fibra de 30 nm, unha estrutura máis compacta cunha razón de compactación de ~50[13], cuxa formación depende da presenza da histona H1.

Presentouse unha estrutura cristalina de tetranucleosoma que se usou para elaborar e propoñer unha estrutura en 2-start hélice da fibra de 30 nm.[24] Pero hai aínda bastantes reservas sobre este modelo, xa que é incompatible con datos recentes obtidos con microscopía electrónica.[25] Á parte disto, a estrutura da cromatina non se comprende ben, pero a suxestión clásica é que a fibra de 30 nm se dispón formando bucles ao longo dun armazón proteico central para formar a eucromatina transcricionalmemnte activa. Unha maior compactación orixinaría a heterocromatina transcricionalmente inactiva.

Dinámica dos nucleosomas[editar | editar a fonte]

Aínda que o nucleosoma é un complexo proteína-ADN moi estable, non é estático e demostrouse que sofre un certo número de cambios estruturais, incluíndo o reposicionamento do nucleosoma e cambios no sitio de exposición de ADN. Dependendo da situación, os nucleosomas poden inhibir ou facilitar a unión de factores de transcrición. As posicións dos nucleosomas están controladas por tres factores principais: Primeiro, a afinidade intrínseca de unión do octámero de histonas depende da secuencia de ADN. Segundo, o nucleosoma pode ser desprazado ou recrutado pola unión competitiva ou cooperativa doutros factores proteicos. Terceiro, o nucleosoma pode ser translocado activamente por complexos remodeladores dependentes do ATP.[26] [27] [28]

Modulación da estrutura do nucleosoma[editar | editar a fonte]

Os xenomas eucarióticos están sempre asociados á cromatina; non obstante, as células necesitan regular tanto espacial coma temporalmente loci específicos dentro da gran masa de cromatina. Para conseguir o alto grao de control requirido para coordinar procesos nucleares tales como a replicación do ADN, a súa reparación e a transcrición, as células desenvolveron varios xeitos de modular a estrutura e función da cromatina de forma local e específica. Isto pode implicar modificacións covalentes das histonas, incorporación de variantes das histonas normais, e a remodelación non covalente feita por encimas remodeladores dependentes do ATP.[29] [30] [31] [32][13] [33]

Ensamblaxe dos nucleosomas in vitro[editar | editar a fonte]

Diagrama da ensamblaxe do nucleosoma.

Os nucleosomas poden ensamblarse in vitro tanto usando histonas nativas purificadas coma histonas recombinantes.[34][35] Unha técnica estándar para enrolar o ADN arredor das histonas require o uso da diálise de sales. Nesta técnica incúbanse xuntos octámeros de histonas e un molde ADN espido a unha concentración salina 2 M. Reducindo a modo a concentración salina, o ADN equilíbrase nunha posición na que se enrola arredor dos octámeros de histonas, formando os nucleosomas. En condicións apropiadas, este proceso de reconstitución permite mapear experimentalmente a afinidade do nucleosoma por posicionarse nunha determinada secuencia.[36]

Notas[editar | editar a fonte]

  1. Reece, Jane; Campbell, Neil (2002). Biology. San Francisco: Benjamin Cummings. ISBN 0-8053-6624-5.
  2. Backstage with a command performer News Release, Rockefeller University, Feb. 18, 2003
  3. Alberts, Bruce (2002). Molecular biology of the cell (4th ed.). New York: Garland Science. p. 207. ISBN 0-8153-4072-9. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?highlight=Nucleosome&rid=mboc4.section.608#630.
  4. Olins AL, Olins DE (January 1974). "Spheroid chromatin units (v bodies)". Science 183 (4122): 330–2. DOI:10.1126/science.183.4122.330. PMID 4128918. http://www.sciencemag.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=4128918.
  5. McDonald D, "Milestone 9, (1973-1974) The nucleosome hypothesis: An alternative string theory", Nature Milestones: Gene Expression. (2005) Dec 1; http://www.nature.com/milestones/geneexpression/milestones/articles/milegene09.html
  6. Kornberg RD (May 1974). "Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA". Science 184 (139): 868–71. DOI:10.1126/science.184.4139.868. PMID 4825889. http://www.sciencemag.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=4825889.
  7. 7,0 7,1 In different crystals, values of 146 and 147 basepairs were observed
  8. 8,0 8,1 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 389 (6648): 251–60. DOI:10.1038/38444. PMID 9305837.
  9. Alberts, Bruce (2007). Molecular biology of the cell (5th ed.). New York: Garland Science. p. 211. ISBN 978-0-8153-4106-2.
  10. Zhou YB, Gerchman SE, Ramakrishnan V, Travers A, Muyldermans S (September 1998). "Position and orientation of the globular domain of linker histone H5 on the nucleosome". Nature 395 (6700): 402–5. DOI:10.1038/26521. PMID 9759733. http://www.nature.com/nature/journal/v395/n6700/abs/395402a0.html.
  11. Thoma F, Koller T, Klug A (November 1979). "Involvement of histone H1 in the organization of the nucleosome and of the salt-dependent superstructures of chromatin". J. Cell Biol. 83 (2 Pt 1): 403–27. DOI:10.1083/jcb.83.2.403. PMC 2111545. PMID 387806. http://www.jcb.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=387806.
  12. Clarke HJ (1992). "Nuclear and chromatin composition of mammalian gametes and early embryos". Biochem. Cell Biol. 70 (10-11): 856–66. DOI:10.1139/o92-134. PMID 1297351.
  13. 13,0 13,1 13,2 13,3 13,4 Felsenfeld G, Groudine M (January 2003). "Controlling the double helix". Nature 421 (6921): 448–53. DOI:10.1038/nature01411. PMID 12540921.
  14. Electrophoresis. 1995 Oct;16(10):1861-4. Preparative separation of nucleosome core particles containing defined-sequence DNA in multiple translational phases. Harp JM, Palmer EL, York MH, Gewiess A, Davis M, Bunick GJ.
  15. Large-scale production of palindrome DNA fragments. Palmer EL, Gewiess A, Harp JM, York MH, Bunick GJ. Anal Biochem. 1995 Oct 10;231(1):109-14.
  16. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 1996 Mar 1;52(Pt 2):283-8. X-ray diffraction analysis of crystals containing twofold symmetric nucleosome core particles. Harp JM, Uberbacher EC, Roberson AE, Palmer EL, Gewiess A, Bunick GJ.
  17. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2000 Dec;56(Pt 12):1513-34. Asymmetries in the nucleosome core particle at 2.5 A resolution. Harp JM, Hanson BL, Timm DE, Bunick GJ.
  18. Methods Enzymol. 2004;375:44-62. Preparation and crystallization of nucleosome core particle. Hanson BL, Alexander C, Harp JM, Bunick GJ.
  19. 19,0 19,1 Chakravarthy S, Park YJ, Chodaparambil J, Edayathumangalam RS, Luger K (February 2005). Structure and dynamic properties of nucleosome core particles. 579. pp. 895–8. DOI:10.1016/j.febslet.2004.11.030. PMID 15680970.
  20. White CL, Suto RK, Luger K (setembro 2001). "Structure of the yeast nucleosome core particle reveals fundamental changes in internucleosome interactions". EMBO J. 20 (18): 5207–18. DOI:10.1093/emboj/20.18.5207. PMC 125637. PMID 11566884. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=125637.
  21. 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 (5): 1097–113. DOI:10.1016/S0022-2836(02)00386-8. PMID 12079350.
  22. Segal E, Fondufe-Mittendorf Y, Chen L, et al. (August 2006). "A genomic code for nucleosome positioning". Nature 442 (7104): 772–8. DOI:10.1038/nature04979. PMC 2623244. PMID 16862119. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=2623244.
  23. Zheng C, Hayes JJ (April 2003). "Structures and interactions of the core histone tail domains". Biopolymers 68 (4): 539–46. DOI:10.1002/bip.10303. PMID 12666178.
  24. Schalch T, Duda S, Sargent DF, Richmond TJ (xullo 2005). "X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre". Nature 436 (7047): 138–41. DOI:10.1038/nature03686. PMID 16001076.
  25. Robinson PJ, Fairall L, Huynh VA, Rhodes D (abril 2006). "EM measurements define the dimensions of the "30-nm" chromatin fiber: evidence for a compact, interdigitated structure". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103 (17): 6506–11. DOI:10.1073/pnas.0601212103. PMC 1436021. PMID 16617109. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=1436021.
  26. Teif VB, Rippe K (2009). "Predicting nucleosome positions on the DNA: combining intrinsic sequence preferences and remodeler activities". Nucleic Acids Res 37 (17): 5641–5655. DOI:10.1093/nar/gkp610. PMC 2761276. PMID 19625488. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=2761276.
  27. Pennings S, Muyldermans S, Meersseman G, Wyns L (maio 1989). "Formation, stability and core histone positioning of nucleosomes reassembled on bent and other nucleosome-derived DNA". J. Mol. Biol. 207 (1): 183–92. DOI:10.1016/0022-2836(89)90449-X. PMID 2738923. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0022-2836(89)90449-X.
  28. Li G, Levitus M, Bustamante C, Widom J (January 2005). "Rapid spontaneous accessibility of nucleosomal DNA". Nat. Struct. Mol. Biol. 12 (1): 46–53. DOI:10.1038/nsmb869. PMID 15580276.
  29. Allfrey VG, Faulkner R, Mirsky AE (Maio 1964). "Acetylation and methylation of histones and their possible role in the regulation of RNA synthesis". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 51: 786–94. DOI:10.1073/pnas.51.5.786. PMC 300163. PMID 14172992. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=300163.
  30. Strahl BD, Allis CD (xaneiro 2000). "The language of covalent histone modifications". Nature 403 (6765): 41–5. DOI:10.1038/47412. PMID 10638745.
  31. Cosgrove MS, Boeke JD, Wolberger C (novembro 2004). "Regulated nucleosome mobility and the histone code". Nat. Struct. Mol. Biol. 11 (11): 1037–43. DOI:10.1038/nsmb851. PMID 15523479.
  32. Ye J, Ai X, Eugeni EE, et al. (abril 2005). "Histone H4 lysine 91 acetylation a core domain modification associated with chromatin assembly". Mol. Cell 18 (1): 123–30. DOI:10.1016/j.molcel.2005.02.031. PMC 2855496. PMID 15808514. //www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=2855496.
  33. Whitehouse I, Flaus A, Cairns BR, White MF, Workman JL, Owen-Hughes T (agoto 1999). "Nucleosome mobilization catalysed by the yeast SWI/SNF complex". Nature 400 (6746): 784–7. DOI:10.1038/23506. PMID 10466730.
  34. Hayes JJ, Lee KM (maio 1997). "In vitro reconstitution and analysis of mononucleosomes containing defined DNAs and proteins". Methods 12 (1): 2–9. DOI:10.1006/meth.1997.0441. PMID 9169189. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1046-2023(97)90441-2.
  35. Dyer PN, Edayathumangalam RS, White CL, et al. (2004). "Reconstitution of nucleosome core particles from recombinant histones and DNA". Meth. Enzymol. 375: 23–44. PMID 14870657.
  36. Yenidunya A, Davey C, Clark D, Felsenfeld G, Allan J (abril 1994). "Nucleosome positioning on chicken and human globin gene promoters in vitro. Novel mapping techniques". J. Mol. Biol. 237 (4): 401–14. DOI:10.1006/jmbi.1994.1243. PMID 8151701. http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0022-2836(84)71243-5.

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Outros artigos[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]