Nucleosom

Die DNA-Doppelhelix in den Zellkernen eukaryotischer Lebewesen ist mit Hilfe von bestimmten Proteinen, den Histonen, stark kondensiert (siehe "Die Organisation der DNA"). Diese Kondensation wird in mehreren Schritten erreicht. Im ersten Schritt wickelt sich die DNA-Doppelhelix um Octamere aus acht Histon-Molekülen,wie das folgende Bild aus der Wikipedia zeigt:

Organisation eines Nucleosoms (Fimo-Modell)
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Die DNA wickelt sich ca. mit 145 bis 147 Basenpaaren ^[1,2,5] mit 14 internen Helixwindungen ^[5] ca. 1,6 bis 1,7 mal um den Komplex aus acht Histon-Molekülen. Dieser Core-Komplex wird aus den Histonen H2A, H2B, H3 und H4 gebildet; jedes Histon kommt zweimal in dem Komplex vor. Der gesamte Komplex hat einen Durchmesser von 10 bis 11 nm. Die Bildung von Nucleosomen verkürzt die DNA ungefähr um den Faktor 7.

Histone sind Arginin- und Lysinreiche Proteine, die wegen der basischen Reste der Arginin- und Lysin-Bausteine positiv geladen sind. So können die negativ geladenen Phosphatgruppen der DNA-Doppelhelix elektrisch angezogen werden. Von den 14 Windungen der Doppelhelix haben mindestens 12 direkten Kontakt mit den Histonen des Nucleosoms ^[5].

Das Histon H1 (in dem Fimo-Modell grün dargestellt) "verschließt" den Core-Komplex mit der DNA.

Das Histon H4 spielt eine Rolle bei der Bildung der nächst übergeordneten Struktur. H4 hat sowohl am Carboxy- wie auch am Aminoende "Arme", die aus dem Komplex herausragen. Mit diesen Armen kann sich das Nucleosom mit den Nachbar-Nucleosomen verbinden, dazu nehmen die Arme Kontakt mit dem H2A/H2B-Dimer im Nachbar-Nucleosom auf.

Das Histon H4 spielt noch eine weitere wichtige Rolle in den Nucleosomen. Vier Lysin-Reste im H4-Arm können von der Histon-Acetyl-Transferase acetylisiert werden. Das Enzym überträgt einen Acetylrest von Acetyl-Coenzym A auf die Aminogruppe von Lysin-Seitenketten. Durch die Acetylisierung werden positive Ladungen des Histons neutralisiert, und die DNA wird weniger stark an das Nucleosom gebunden, was wiederum die Transkription der DNA erleichtert ^[4].

Bildung eines Nucleosoms und eines 30-nm-Filaments
Quelle: Wikipedia, Artikel "Histone H2A", Autor: David O Morgan, leicht verändert von U. Helmich, Lizenz: public domain.

Dieses Bild, das auf einem Werk von David O. Morgan beruht (englische Wikipedia), zeigt sehr schön, wie sich ein der Core-Komplex eines Nucleosoms aus den acht Histon-Bausteinen bildet und wie zahlreiche Nucleosomen dann ein 30-nm-Filament bilden.

Nucleosomen-Dichte der DNA

Wenn man sich in Biologie-Büchern die verschiedenen Abbildungen der Nucleosomen-Perlenkette anschaut, könnte man denken, dass die Nucleosomen gleichmäßig verteilt sind und dass die Abstände zwischen den Nucleosomen immer die gleiche Länge haben. Meistens werden Angaben wie 20 bis 60 Basenpaare für die Linker-DNA zwischen den Nucleosomen gemacht.

Dieses Bild täuscht aber. Der Fachbegriff der Nucleosomenpositionierung^[5] beschreibt die Tatsache, dass sich die Nucleosomen an bestimmte DNA-Bereiche lieber bzw. häufiger binden als an andere DNA-Bereiche.

DNA-Abschnitte, bei denen auf dem einen Strang nur Purinbasen Adenin und Guanin vorkommen (logischerweise dann auf dem anderen Strang die komplementären Pyrimidinbasen Thymin und Cytosin) können Nucleosomen nicht so gut binden wie "normale" DNA-Abschitte, in denen die Basen gleichmäßiger verteilt vorkommen. Solche DNA-Sequenzen finden sich im Bereich des Centromers, aber auch im Promotorbereich einiger Gene. Durch die geringe Nucleosomen-Dichte in diesen Bereichen können Proteine wie zum Beispiel die RNA-Polymerase leichter an die DNA andocken, um ihre Aufgaben zu erfüllen ^[5] .