Medmolekulske interakcije znotraj nukleosomov

Nukleosomi, najmanjše ponavljajoče se enote evkariontskega kromatina, se pojavljajo na 157 – 240 baznih parov DNA in so približno enakomerno razporejeni po genomu. Njihov osrednji del (nucleosome core particle) predstavlja oktamer, sestavljen iz histonov H2A, H2B, H3 in H4 (vsak v dveh kopijah), okrog pa je navitih 146 – 147 baznih parov DNA, ki naredi 1,6 – 1,7 ovoja. Med posameznimi nukleosomi je povezovalna DNA, dolga 10 – 90 baznih parov in povezovalni histon H1, ki je pomemben predvsem za interakcije med nukleosomi.

Zgradba nukleosoma

Histoni

Histoni so zelo bazični proteini, saj so bogati z lizinskimi in argininskimi aminokislinskimi ostanki. Njihov izoelektrična točka (pI) je večja od 10, iz česar sledi tudi, da so njihovi multimeri in vitro stabilni samo ob velikih koncentracijah soli. Sestavljeni so iz dobro urejene domene histonskega pregiba (histone fold), ki jo tvorijo tri alfa vijačnice (α1, α2 in α3), ločene z dvema zankama, in iz slabo urejenih N-terminalnih repkov. Del površine je hidrofoben in prek nje se histoni lahko povežejo med sabo. Histoni imajo tudi kislo zaplato (acidic patch), kamor se lahko vežejo repki sosednjih nukleosomov (npr. repek histona H4, ki se veže na zaplato na H2A-H2B) in tako tvorijo višje strukture kromatina.

Na specializiranih delih kromatina lahko histonske variante nadomestijo običajne histone, ki tvorijo nukleosome z drugačnimi fizikalnimi in kemijskimi lastnostmi, kar vpliva na stabilnost nukleosoma in dostopnost DNA.

Histoni se med seboj povezujejo v heterodimere, pri čemer sta v paru vedno histona H2A in H2B oziroma H3 in H4. V vseh primerih vezava poteče antiparalelno prek vijačnic α2 že v citoplazmi, nato pa se dimeri prenesejo v jedro. Dva dimera H3-H4 se lahko prek interakcij med H3 povežeta v tetramer (H3-H4)₂, nanj pa se prek interakcij med H4 in H2B, med katere spada tvorba hidrofobne gruče, na vsaki strani veže še dimer H2A-H2B. Pri celotnem procesu sodelujejo histonski šaperoni, ki preprečijo neželene interakcije histonov med sabo, nukleinskimi kislinami in drugimi komponentami celice.

Tudi histonski N-terminalni repki so pozitivno nabiti, zaradi česar so lahko v stiku z DNA in prispevajo k vezavi v nukleosom (repek histona H3) ali pa štrlijo ven iz osrednjega dela ter povezujejo nukleosome med sabo. Vplivajo na dostopnost DNA znotraj nukleosoma (predvsem repki histonov H3 in H4) in na njihovo mobilnost (predvsem repek histona H2B). Ker so repki izpostavljeni, so dostopni encimom in na njih lahko potečejo kemijske modifikacije, ki vplivajo na strukturo.

Interakcije med histoni in DNA

Površina histonskega oktamera je pozitivno nabita, s čimer ta nevtralizira negativni naboj DNA in jo poveže v trdno, a fleksibilno kromatinsko strukturo. Za vezavo DNA v nukleosom so ključne predvsem domene histonskega pregiba, ki predstavljajo 12 od 14 vezavnih mest. Na vseh 14 vezavnih mestih je DNA proti oktameru obrnjena z malim žlebom. Med posameznima vezavnima mestoma je 10 baznih parov.

DNA je na oktamer vezana na več načinov, predvsem z elektrostatskimi interakcijami in vodikovimi vezmi. Večina povezav poteka med fosfatnimi skupinami DNA na eni strani ter stransko skupino histonov ali dušikom s peptidne vezi na drugi. Druga opcija je vezava zlasti argininskih ostankov v mali žleb, kjer arginin deluje kot interkalator baz.

DNA in histoni se lahko poleg neposredne povezave povežejo tudi posredno, prek molekul vode. Voda služi kot adapterska molekula, ki prek vodikovih vezi omogoča povezovanje bolj oddaljenih elementov in posledično večjo mobilnost DNA znotraj nukleosoma ter nespecifično povezavo DNA in histonov. Takih vezi je nekajkrat več kot neposrednih, povprečna molekula vode pa tvori tri vezi s proteini in DNA. Vezava DNA na histone mora biti zaradi ogromnega števila sekvenc močno nespecifična, vendar pa se določene sekvence vežejo laže kot druge. Razlog za to je razlika v energiji, potrebni za upogib nukleotidnih parov od standardne strukture B-DNA. Posledično je mogoče optimizirati sekvence, ki se izjemno stabilno vežejo na histone: t.i. pozicionirna zaporedja (positioning sequences). Njihova glavna značilnost je ponovitev določenih nukleotidnih parov vsakih 10 bp: vsake toliko je namreč potreben upogib vijačnice. Obratno je za nekatera zaporedja neželeno, da jih prekriva nukleosom: mesta za vezavo transkripcijskih faktorjev in začetka transkripcije (TATA škatla), geni za rRNA in tRNA. Te je mogoče uvrstiti na povezovalno DNA, kar se najpogosteje zgodi pri TATA, ali pa na manj stabilne nukleosome, npr. pri genih za RNA.

Dinamičnost nukleosomov

Ker je večina evkariontske DNA vezana v nukleosome, kar vključuje tudi regulatorne regije in kodirajoča zaporedja, so potrebni mehanizmi, ki nukleosome umaknejo. Nekateri procesi so spontani (odvijanje in drsenje nukleosomov), drugi pa so odvisni od ATP (preurejevalni kompleksi).

Odvijanje nukleosomov

Spontano delno odvijanje DNA s histonskega oktamera imenujemo tudi dihanje nukleosoma. Kljub temu, da je DNA na nukleosom pritrjena na 14 mestih, se spontano odvija z obeh koncev nukleosoma, vendar je nukleosom manj stabilen, bolj kot se odvije.

Normalno tarčne sekvence za DNA vezavne proteine, ki so v notranjosti nukleosoma, sterično niso dostopne, ko pa se DNA odvije, dobijo priložnost za vezavo. Da pa se DNA vezavni protein sploh lahko veže nanjo, se je mora odviti precej velik delež tudi, če je vezavno mesto bolj na robu nukleosoma. Verjetnost, da se bo DNA dovolj odvila, eksponentno pada proti sredini nukleosoma.

Nukleosom se lahko odvije tudi, če nanj deluje mehanska sila, vendar je za to potrebna sila precej velika (okrog 25 pN/nukleosom). V nukleosomu sta oba zavoja DNA dovolj blizu, da se elektrostatsko odbijata, zato se en zavoj DNA lahko spontano odvije, preostanek DNA pa je potem še trdneje vezan na nukleosom. To je tudi razlog, da nukleosom ne razpade, kljub temu, da se DNA delno odvije z njega.

Drsenje nukleosomov

Nukleosomi lahko spontano drsijo po DNA, pri čemer se naenkrat premaknejo le za majhno dolžino (nekaj baznih parov). Nukleosom ne more na preprost način zdrseti po DNA, ker bi se pri tem ta morala spustiti z vseh vezavnih mest znotraj nukleosoma hkrati, da bi se lahko premaknila, zato sta bila predlagana dva različna mehanizma drsenja, ki se skladata tudi z eksperimentalnimi podatki: napaka v zanki (loop defect) in napaka v zvitju (twist defect).

Pri napaki v zanki gre za zdrs za približno 10 baznih parov, nastane pa zaradi dihanja nukleosoma. DNA se spontano odvija z nukleosoma in se navadno tudi zelo hitro veže nazaj, lahko pa se zgodi, da pride do potega DNA, zaradi česar se v nukleosom ujame daljša zanka DNA kot normalno. Zanka potuje po nukleosomu, dokler ne pride do konca in če pride na nasprotni konec od mesta nastanka, se nukleosom premakne po DNA za dolžino zanke.

Napaka v zvitju nastane spontano na koncu nukleosoma, ko se dodaten ali manjkajoč bazni par ujame med dve vezavni mesti za DNA. Tak odsek DNA je preveč stisnjen ali raztegnjen, zaradi česar na njem nastanejo pozitivni ali negativni dodatni zavoji. Da se napetost sprosti, se DNA spusti z enega vezavnega mesta, pri čemer se napaka raztegne čez 20 baznih parov namesto čez 10. Ko se DNA ponovno veže, se napaka lahko prenese na sosednjo pozicijo in na tak način potuje po nukleosomu, dokler ne pride do konca. Nukleosom se tako premakne za 1 bazni par.

Na mobilnost nukleosoma lahko vplivajo povezovalni histoni, ki jo zmanjšajo, in histonski repki. Repek histona H3 prispeva k vezavi DNA v nukleosom in če je odstranjen, se DNA bolj odvija z nukleosoma, odstranitev repka histona H2B pa vpliva na pozicijo nukleosoma, saj poveča drsenje.

Viri

• Blossey, R. & Schiessel, H. The dynamics of the nucleosome: thermal effects, external forces and ATP. FEBS J. 278, 3619–32 (2011).

• Davey, C. A., Sargent, D. F., Luger, K., Maeder, A. W. & Richmond, T. J. Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 Å resolution. J. Mol. Biol. 319, 1097–113 (2002).

• Luger, K., Mäder, A. W., Richmond, R. K., Sargent, D. F. & Richmond, T. J. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution. Nature 389, 251–60 (1997).

• Segal, E., Fondufe-Mittendorf, Y., Chen, L., Thåström, A., Field, Y., Moore, I. K., Wang, J. Z. & Widom, J. A genomic code for nucleosome positioning. Nature 442, 772–8 (2006).

• Segal, E. & Widom, J. What controls nucleosome positions? Trends Genet. 25, 335–43 (2009).