Nukleosom

  Die erste Verpackungsstufe der DNA höherer Zellen ist ein Komplex aus DNA und Histonen, das so genannte Nukleosom. 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 dieses nahezu umgehend als fundamentale Verpackungseinheit der DNA im Chromatin akzeptiert.

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Entdeckung und Eigenschaften

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 "nucleosome/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 vier Paaren der Histone H2a, H2b, H3 und H4 gebildet, um das in 1,65 Windungen 146 Basenpaare an DNA gewickelt sind. 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.

Abbildung: Nukleosomen und ihre Dynamik. links ist DNA (weißer Schlauch) eng mit dem inaktiven Nukleosomenkern verbunden. Die Kontakte werden über Wasserstoffbrücken und elektrostatische Wechselwirkungen hergestellt (schwarze Punkte; herausvergrößert ist ein Phosphat-Arginin-Kontakt zwischen DNA und Histon, HIS). Histon-Methyltransferasen (HMTs) und Histon-Acetyltransferasen (HATs) sind Enzyme, die bestimmten Aminosäuren der Histone H2a, H2b, H3 und H4 posttranslational modifizieren können; ihre Gegenspieler sind Histon-Deacetylasen (HDACs) und Histon-Demethylasen. Stärkere Acetylierung, und (durch Öffnung der Nucleosomenstruktur) erhöhte Genexpression wird durch HDAC Inhibitoren wie Trichostatin A (TSA) bewirkt. Dieses Wirkprinzip wird mittlerweile in einigen Krebstherapien eingesetzt. In der Zelle ist die Modifizierung definierter Aminosäurereste strikt reguliert und mit analogen Modifikationen der DNA-Basen koordiniert, siehe Epigenetik.

Die Abbildung gibt den schematischen Aufbau des Nukleosoms und seine strukturelle Variabilität wieder. Der Histonkern bildet einen Zylinder von 11 nm Durchmesser und 5 nm Höhe (blau). Die überwiegend Lysin- und Arginin-reichen und damit positiv geladenen N-terminalen Enden der Histone (die "histone-tails") binden an das negativ geladene Rückgrat der DNA-Phosphatreste, wodurch die Zugänglichkeit für Transkriptionsfaktoren eingeschränkt wird. Acetylierung der Lysinreste durch Acetyltransferasen beseitigt deren positive Ladung und gibt die zuvor verdeckte Information frei; gleichzeitig erfährt der Nukleosomenkern eine Strukturänderung (rot). Dieses stark vereinfachende Ladungsmodell ist mittlerweile zumindest umstritten. Neuere Forschungen zeigen, dass die modifizierten Motive durch verschiedene Proteine ausgelesen werden können, und dies zur Aktivierung oder Reprimierung der betroffenen Gene führt. Der Acetylierungsstatus selbst wird durch das Gleichgewicht der Histon-Acetyltransferasen (HATs) bzw. Histon-Deacetylasen (HDACs) bestimmt - werden letztere durch einen spezifische Inhibitoren wie z.B.: Trichostatin A (TSA) oder Butyrat gehemmt, so dominieren die ersteren. Derartige Versuchsansätze haben zum experimentellen Nachweis dieses Sachverhaltes geführt.

Arbeiten zur Struktur der Nukleosomen wurden durch Aaron Klug (Nobelpreis 1982 für Kristall-Strukturanalysen an Protein/Nucleinsäure-Komplexen^[1]) in London am Medical Research Council aufgenommen. Diese Arbeiten führten 1984 bei noch relativ geringer Auflösung zum ersten Strukturvorschlag. Die Arbeiten werden seitdem systematisch durch Timothy Richmond^[2] am Institute for Molecular Biology & Biophysics der ETH Zürich vorangetrieben.

Referenzen

1. ↑ Aaron Klug Nobelpreis
2. ↑ Gruppe T.J. Richmond

Publikationen

Nukleosomen-Struktur

• Richmond, T.J., Finch, J.T., Rushton, B., Rhodes, D., and Klug, A.: Structure of the nucleosome core particle at 7 Å resolution. Nature 311, 532-537 (1984). PMID 6482966
• Struck, M. M., Klug, A., and Richmond, T.J.: Comparison of X-ray structures of the nucleosome core particle in two different hydration states. J Mol Biol 224, 253-64 (1992). PMID 1548703
• Luger, K., Mader, A.W., Richmond, R.K., Sargent, D.F. Richmond, T.J.: Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 angstrom resolution. Nature 389, 251-60 (1997). PMID 9305837
• Richmond T.J., Davey CA: The structure of DNA in the nucleosome core. Nature 423:145-50 (2003). PMID 12736678
• Schalch T, Duda S, Sargent DF, Richmond TJ.: X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre. Nature. 2005 Jul 7;436(7047):138-41. PMID 16001076

Nukleosomen-Dynamik

Prior, C.P., Cantor, C.R., Johnson, E.M., Littau, V.C., Allfrey, V.G. (1983) Reversible changes in nucleosome structure and histone H3 accessibility in transcriptionally active and inactive states of rDNA chromatin. Cell 34, 1033-1042.

Bode, J.Gòmez-Lira M.M., Schröter, H. (1983) Nucleosomal Particles Open as the Histone Core Becomes Hyperacetylated. Eur. J. Biochem. 130, 437-445.

Strahl, B.D., Allis, C.D. (2000) The language of covalent histone modifications. Nature 403:6765 41-5

Löffler / Petrides