נוקלאוזום – הבדלי גרסאות

'''נוקלאוזום''' הוא תת יחידה בסיסיות שחוזרת על עצמה בכלפעמים הכרומטיןרבות האיקריוטיברצף ה[[כרומטין]] ה[[איקריוטיים|איקריוטי]] (מלבד במקרה של [[תא זרע|תאי זרע]]). הואהנוקלאוזום אורז את ה-[[DNA]] לתוך [[כרומוזום|כרומוזומים]] בתוך [[גרעין התא]] ושולט על [[בקרת גנים|בקרת הגנים]]. הוא עשוי מ-DNA ומארבע זוגות של חלבונים הנקראים היסטונים, ודומה ל"חרוזים על גדיל של DNA" כאשר צופים בו במיקרוסקופ אלקטרונים. השערת הנוקלאוזום, שהוצעה על ידי דון ועדה אולינס ורוג'ר דויד קורנברג ב-1974, הייתה דוגמא לשינוי שחל בהבנת הבקרה הגנית ביצורים איקריוטיים. החלבונים שבונים את הנוקלאוזום נקראים היסטונים. ההיסטונים H2A, H2B, ו-H4 הם חלק מהנוקלאוזום ואילו ההיסטון H1 מקשר בין שני נוקלאוזומים סמוכים.

# הוא מספק את רמת הדחיסותה[[צפיפות החומר|דחיסות]] המזערית שדרושה כדי להחזיק את גדיל ה-DNA הכפול בתוך הגרעין.

# יש לו תפקיד בבקרת התעתוקה[[תעתוק]] ובמניעה מ-[[RNA פולימראז]] להיכנס לאזורי הקדםה[[קדם]] תעתוק של הגניםה[[גן (ביולוגיה)|גנים]] אם לתא אין צורך בתוצרי הגנים.

# אם דרישות התאה[[תא]] משתנות, [[אנזים|אנזימים]] מסוימים יכולים להזיז או לשנות את העמדהאופן הארגון של הנוקלאוזום כדי לאפשר גישה אל הגן. ישנה השערה כי לנוקלאוזום יש תפקיד ראשי בנשיאת מידע [[תורשה|תורשתי]] [[אפיגנטיקה|אפיגנטי]].

הנוקלאוזום חוזר על עצמו, עם חריגות מסוימות, בערך כל 200 זוגות [[בסיס (כימיה)|בסיסים]] לאורך הכרומטין האיקריוטי. חלקיק ליבת הנוקלאוזום שנראה באיור מורכב מבערך 146 זוגות בסיסים של DNA דו גדילי שעטופים ב-1.65 [[סליל על|סלילי על]] בכיוון שמאלה, מסביב לארבעה זוגות זהים של חלבונים בודדים הידועים כהיסטונים וביחד הם נקראים אוקטאמר ההיסטון. שאר 50 זוגות הבסיסים של היחידה החוזרת מורכבים מ-DNA מקשר, שהוא דו גדיל המפריד בין שני חלקיקי ליבה.

כללכל אחד מארבעת ההיסטונים (H2A, H2B, H3 ו-H4) חולקיש מוטיב מבני דומה המורכב משלושה [[סליל אלפא|סלילי אלפא ]] המופרדים על ידי לולאות. בתמיסהב[[תמיסה]], ההיסטונים יוצרים זוגות עם עותקים זהים של עצמם ומתייחסים אליהם כאל דימרים או היסטונים מקופלים בזוגות. במקרה של ההיסטונים H3 ו-H4, הם ממשיכים להתאסף לטטראמרים, שהם חיבור של שני דימרים H3-H4, שבאמצעותם קבוצות טעונות מאותו סליל אלפא על שני ההיסטונים H3 נקשרים זה לזה בקשרב[[קשר מימן]]. ההתקבצות של חלקיק הליבה של הנוקלאוזום מתרחשמתחילה כאשר בהתחלה מוצמד הטטראמר H3-H4 נצמד ל-DNA הדו גדילי ולאחר מכן הצמדהנצמדים שלאליו שני דימרים נפרדים מסוג H2A-H2B, תהליך שסביר להניח שיתרחש באופן שיתופי (כלומר, שני הדימרים H2A-H2B מתקבצים לטטראמר בבת אחת).

לפי המבנה הגבישי שלו, ההיסטון האוקטאמרי קשור ל-DNA שמסביבו בערך כל 10 זוגות בסיסים. כל אחד מארבעת הדימרים של ההיסטון מכיל שלושה אזורי קשר עם ה-DNA. אתר הקישור המרכזי בכל דימר נוצר על ידי סליל אלפא מכל היסטון שבצמד המצביע לכיוון קבוצת [[זרחה]] בודדת ב-DNA שאליו הם קשורים בקשר מימן. בעמדות של 10 זוגות בסיסים לכל כיוון, לולאה משני ההיסטונים מתלכדת לקשר מימן לקבוצות זרחה אחרות. האיור שמשמאל מדגים את זה. שני קשרים אחרים (מתוך סך של 14) מתרחשיםנוצרים באמצעותבעקבות הקישור של הזנבותזנבות שלההיסטונים ההיסטוניםמסוג H3. קשרים אלה קיימים בנקודות הכניסה והיציאה של ה-DNA שעטוף סביב הנוקלאוזום ומסייעים בהידוק האזורים האלה אל חלקיק הליבה.

ניתוח של מבנה גדיל ה-DNA הכפול העטוף מסביב לאוקטאמר ההיסטוני מציעמראה שהואשצורתו היא בדרך כלל בצורהמסוג B, למרות שהמבנה יותר מוגבל מאשר DNA חופשי בגלל הקשרים עם האוקטאמר. ההתעקמות לתוך סליל העל נובעת בעיקר מכך שהחריץ העיקרי מופיע מול האוקטאמר ולפיכך היא מתרחשת כל חמישה זוגות בסיסים בקירוב. החריץ העיקרי שמקיף את האוקטאמר הוא חלק. חריצים קטנים יותר מחוזקים על ידי שרשראות צד של [[ארגינין]] שחודרות לתוך החריץ ומופיעים בצורה חלקה סביב הטטראמר H3-H4, אבל מתכופפים סביב אזורי הדימר H2A/H2B. ה-DNA מצוי בצורתו ההדוקה ביותר באזורים שבהם הוא קשור עם מבני הלולאה הכפולה של דימרי ההיסטון שהוזכרו לעיל, מה שמרמז על כך שיש יותר גיוון בצורה שבה ה-DNA קשור למבני הסליל אלפא של דימרי ההיסטון על מנת להשיג את הקשירה של רצפים שונים <ref> Richmond TJ, Davey CA, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=12736678&query_hl=15&itool=pubmed_docsum|"The structure of DNA in the nucleosome core"], Nature. (2003) May 8; 423 (6936): 145-150. </ref>

הקצה של כל היסטון מכיל זנב של שיירי [[חומצת אמינו|חומצות אמינו]] באורכים שונים, האופייניים לכל היסטון. מטרת הזנבות איננה ברורה לחלוטין כיום, אולם נראה שהם תורמים ליציבות הנוקלאוזום <ref> Brower-Toland B, Wacker DA, Fulbright RM, Lis JT, Kraus WL, Wang MD, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=15663933&query_hl=3&itool=pubmed_docsum|"Specific contributions of histone tails and their acetylation to the mechanical stability of nucleosomes"], Journal of Molecular Biology (2005) Feb 11; 346 (1): 135-146 </ref> ומשמשים גם כאתרי עגינה עבור חלבונים אחרים. מבנה הזנבות עשוי להשתנות קלות על ידי אנזימים אחרים בגרעין ועשוי למלא תפקיד משמעותי ביצירת מבני כרומטין מסדר גבוה <ref> Luger K, Richmond TJ, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=9610403&query_hl=4&itool=pubmed_docsum, "The histone tails of the nucleosome."], Current Opinion in Genetics and Development. (1998) Apr; 8 (2): 140-6. </ref>.

בגרעין התא יש צורך בדחיסה נוספת של הכרומטין, אולם היא לא מובנת לחלוטין. צורת ההבנה הנוכחית <ref> Chakravarthy S, Park YJ, Chodaparambil J, Edayathumangalam RS, Luger K, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=15680970&query_hl=13&itool=pubmed_docsum,"Structure and dynamic properties of nucleosome core particles"], FEBS Letters. (2005) Feb 7; 579 (4): 895-898. </ref> היא שרצף נוקלאוזומים עם קטעי DNA "מקשרים" יוצריםיוצר סיב בגודל 10nm, המכונה "חרוזים על חבל", שיש לו יחס אריזה של ~6, בהשוואה ל-DNA חופשי (לכל ננומטר אורך). שרשרת של נוקלאוזומים יכולה להתארגן בסיב 30nm, מבנה יעיל (נחשב כבעל צורה של סולנואיד סלילי, מבנה סרט מזוגזג, חרוז-על, או חסר מבנה) עם יחס אריזה של ~40.

מספר תצפיות הראו שישנם אנזימים מסוימים המשנים את עמדת הנוקלאוזומים בניסויב[[ניסוי]] ([[in vitro]]) <ref> Lia G, Praly E, Ferreira H, Stockdale C, Tse-Dinh YC, Dunlap D, Croquette V, Bensimon D, Owen-Hughes T, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=16455496&query_hl=9&itool=pubmed_docsum|"Direct Observation of DNA Distortion by the RSC Complex"], Molecular Cell (2006) Feb 3; 21 (3): 417-425. </ref>. היעוד שלהם הוא לחשוף מידע גנטי שמוחזק בתוך חלקיק הליבה של הנוקלאוזום כאשר התא זקוק לו. הוצע כי הנוקלאוזומים המעוצבים מחדש משנים לא רק עמדות על תבנית ה-DNA אלא שיש להם מבנים אחרים יציבים או יציבים למחצה. המצבים המשתנים הללו עשויים להיות נחוצים כדי שהתעתוק יתאפשר.

ידוע כי היצירת של SWI/SNF, שהם אנזימי הארגון מחדש של הנוקלאוזום, חיונית להישרדותם של [[שמרים]] <ref> Kruger W, Peterson CL, Sil A, Coburn C, Arents G, Moudrianakis EN, Herkowitz I, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=7590252&query_hl=24&itool=pubmed_docsum|"Amino acid substitutions in the structured domains of histones H3 and H4 partially relieve the requirement of the yeast SWI/SNF complex for transcription], Genes Development. (1995) Nov 15; 9 (22): 2770-2779. </ref>. אולם, ניתן להתגבר על מגבלה זו באמצעות [[מוטציה|מוטציות]] בשייר אחד של ההיסטון H3 או של ההיסטון H4. המבנה הגבישי של 11 מוטציות כאלה תואר וייתכן<ref> שהמבנהMuthurajan שלהןUM, עשויBao לספקY, עלForsberg LF, Edayathumangalam RS, Dyer PN, White CL, Luger K, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=14739929&query_hl=26&itool=pubmed_docsum|"Crystal structures of histone Sin mutant nucleosomes reveal altered protein-DNA interactions"], EMBO Journal (2004) Jan 28; 23 (2): 260-271. </ref> וייתכן שהוא יתן מידע על האופן שבו SWI/SNF מספקים גישה לרצפים גנטיים שלא הייתה אליהם גישה בגלל שהיו עטופים סביב הנוקלאוזום.

נוקלאוזומים יכולים להתקבץ בניסוי באמצעות שימוש בהיסטונים טבעיים מזוקקים או היסטונים [[רקומבינציה|רקומביננטיים]] או במגוון המבנים השונים שלהם <ref> Dyer PN, Edayathumangalam RS, White CL, Bao Y, Chakravarthy S, Muthurajan UM, Luger K, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=14870657&query_hl=1&itool=pubmed_docsum, "Reconstitution of nucleosome core particles from recombinant histones and DNA"], Methods in Enzymology (2004); 375: 23-44 </ref>. השיטה התקנית של שימוש בדיאליזתב[[דיאליזה|דיאליזת]] [[מלח]] נשענת על העובדה שהטטראמר H3-H4 נקשר ל-DNA בריכוזיב[[ריכוז כימי|ריכוזי]] מלח גבוהים יותר מאשר הדימר H2A/H2B.