Nukleosom

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Struktur eines Nukleosoms mit Histonen der Fruchtfliege: Die DNA (grau mit farbigen Nukleobasen) ist um den Kern aus acht Histon-Untereinheiten (bordeauxrot) gewickelt

Nukleosomen bilden einen Komplex aus DNA, snRNA und Histonen. Dies ist die erste Verpackungsstufe der DNA im Zellkern eukaryotischer Zellen. Die Abfolge der Nukleosomenpakete, welche die DNA im Chromatin als 30 nm dicke Faser zusammenhalten, wird Solenoidstruktur genannt.

Aufbau und Struktur[Bearbeiten]

Als Nukleosom bezeichnet man die Einheit von DNA und einen Histonoktamer. Das Oktamer besteht aus je zwei Exmplaren der Proteine H2A, H2B, H3 und H4. Um diesen Proteinkomplex sind etwa 200bp DNA als linksgängige Superhelix gewunden. Durch die Windung der DNA um den Histon-Komplex verkürzt sich die Länge der DNA auf ein siebtel von 68nm auf rund 10nm.

Ein Verdau der Histone mit DNAse führt zu dem Histonenoktamer mit einem 145bp DNA-Fragment. Diese Einheit wird als Nucleosomen-Core-Partikel bezeichnet.

Das Linker Histon H1 verbindet die einzelnen Nucleosomen-Core-Partikel miteinander und bindet an die Linker-DNA. Hierdurch entstehen höhere Organisationseinheiten der DNA, wie die 30nm-Fiber.

Die Strukur der Nukleosome wurde in den 1980ern in Pionierarbeit von Aaron Klugs Arbeitsgruppe aufgeklärt. Mittels Röntkenstrukturanalyse konnte gezeigt werden, dass im Core-Partikel ein Tetramer von (H3)2(H4)2, sowie zwei Dimere der Histone H2A-H2B vorliegen.[1]

Entdeckung[Bearbeiten]

Von Ada und Donald Olins in elektronenmikroskopischen Darstellungen gequollener Zellkerne entdeckt und 1973 erstmals auf dem "Third Annual Meeting of the American Society for Cell Biology" als "ν-body" (‚neues Partikel‘) vorgestellt, wurde die Solenoidstruktur nahezu umgehend als fundamentale Verpackungseinheit der DNA im Chromatin akzeptiert.

1974 gelangen mehreren Teams, darunter jenem von Roger Kornberg, Analysen, die den Aufbau dieser Partikel aus einem Histon-Oktamer, einem Linker-Histon und etwa 160–200 Basenpaaren an DNA zeigten. 1975 wurde diese Einheit als Nukleosom eingeführt. 1974 gilt heute als Geburtsjahr der molekularen Epigenetik.

Neben Wechselwirkungen, die zur Kompaktierung der DNA führen, gehen die Histone Interaktionen untereinander ein. So wird der Nukleosomenkern (das "core particle") aus jeweils zwei Exemplaren der Histone H2a, H2b, H3 und H4 gebildet, um das in 1,65 Windungen 146 Basenpaare an DNA gewickelt sind.[2] Der Bereich zwischen zwei Nukleosomen (der variable "linker", der zwischen 160 Basenpaaren in Hefe und 200 Basenpaaren in höheren Organismen umfassen kann; beim Menschen sind es 50–60 Basenpaare) wird durch ein weiteres Histon, H1, besetzt, welches am Aufbau höherer Strukturen (der sog. 30-nm-Faser, erklärt z. B. im "Solenoid"-Modell) beteiligt ist. Die Komponenten des Nukleosomenkerns wurden in der Evolution hoch konserviert (nur zwei Aminosäurereste unterscheiden das Histon H3 des Menschen von jenem der Erbse), was die fundamentale Bedeutung dieser Einheit (und ihrer Modifikationen - siehe unten) unterstreicht.

Arbeiten zur Struktur der Nukleosomen wurden durch Aaron Klug (Nobelpreis 1982[3] für Kristall-Strukturanalysen an Protein/Nucleinsäure-Komplexen) in London am Medical Research Council aufgenommen. Diese Arbeiten führten 1984 bei noch relativ geringer Auflösung zum ersten Strukturvorschlag.[4][5] Die Arbeiten werden seitdem systematisch durch Timothy Richmond[6], der bereits in der Gruppe von Klug 1984 an dem ersten Strukturvorschlag beteiligt war, am Institute for Molecular Biology & Biophysics der ETH Zürich vorangetrieben. 1997 publizierte die Arbeitsgruppe von Richmond eine Struktur des Nukleosoms mit einer Auflösung von 2.8 Å[2] und 2002 folgte die Publikation der Struktur mit einer Auflösung von 1.9 Å.[7][8]

Im Jahr 2005 publizierte die Arbeitsgruppe von Richmond eine Röntgen-Kristallstruktur des Tetranukleosoms.[9]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert StryerStryer Biochemie In: Springer Spektrun. 7. Auflage, S. 951-952
  2. a b Karolin Luger, Armin W. Mäder, Robin K. Richmond, David F. Sargent, Timothy J. Richmond: Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution. In: Nature. 389, Nr. 6648, 1997, S. 251–260, doi:10.1038/38444.
  3. nobel.se: Aaron Klug - Autobiography
  4. T. J. Richmond, J. T. Finch,B. Rushton, D. Rhodes, A. Klug: Structure of the nucleosome core particle at 7 Å resolution. In: Nature. 311, 1984, S. 532–537, PMID 6482966.
  5. M. M. Struck, A. Klug, T. J. Richmond: Comparison of X-ray structures of the nucleosome core particle in two different hydration states. In: J. Mol. Biol. 224, 1992, S. 253–264, PMID 1548703.
  6. Gruppe T. J. Richmond
  7. C. A. Davey CA, Sargent, K. Luger, A. W. Maeder, T. J. Richmond: Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 Å resolution. In: J. Mol. Biol. 319, Nr. 5, 2002, S. 1097–1113, PMID 12079350.
  8. T. J. Richmond, C. A. Davey: The structure of DNA in the nucleosome core. In: Nature. 423, 2003, S. 145–150, PMID 12736678.
  9. T. Schalch, S. Duda, D. F. Sargent, T. J. Richmond: X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre. In: Nature. 436, Nr. 7047, 2005, S. 138–141, PMID 16001076.

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]