Nukleosome sind wichtige Bestandteile im Zellkern von Eukaryoten. Sie sind primär für die Verpackung und Komprimierung der DNA im Zellkern zuständig und stehen deshalb in engem Kontakt mit der Erbinformation.
Nukleosom – Definition
Ein Nukleosom besteht generell aus einem Proteinkomplex (Histon) und einem ungefähr zweifach darum gewickelten DNA-Strang. Nukleosomen sind also als Histone mit seinen passenden DNA-Abschnitt definiert.
Die Nukleosomen liegen zur Komprimierung der DNA im Zellkern.
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Wiederholung: Eigenschaften und Bestandteile der Histone
Histone sind Proteine und die Grundeinheit der Nukleosomen. Da sie aus verschiedenen positiv geladenen Aminosäuren bestehen, (besonders Lysin- und Arginin-Reste) weisen sie bei einem neutralen pH-Wert eine positive Ladung auf. Arginin und Lysin gehören zu den basischen, proteinogenen Aminosäuren des menschlichen Körpers.
Durch ihre Ladung ziehen sie die negativ geladenen Phosphatgruppen der DNA an. So kommt es zum Kontakt zwischen DNA und Histon. Die Histone können sich dadurch um die DNA und deren Basenpaare wickeln und sie wie bei einer Spule komprimieren, sodass sie durch diesen Kontakt in den Zellkern passen.
Aufbau der Histone
Histone besitzen als Grundeinheit des Nukleosoms einen speziellen Aufbau. Dabei gibt es unterschiedliche Klassen, die Kernhistone und die Verbindungshistone.
Die Kernhistone
Die Kernhistone (core histones) sind verschiedene Haupt-Proteinklassen der Histone, die sich zu Komplexen zusammenlagern. Sie stehen eng mit der DNA in Kontakt. So lagern sich erst zwei Kernhistone zusammen und bilden ein Dimer. In einem zweiten und dritten Schritt lagern sich zwei Dimere zu einem Tetramer, und schließlich zwei Tetramere zu einem Oktamer zusammen. Dieses Oktamer der Histone wickelt sich nun um die DNA und deren Basenpaare und bewirkt mit diesem Kontakt die Spiralisierung des DNA-Stranges.
Die Verbindungshistone
Die Verbindungshistone (linker histones), verbinden zwei Histon Oktamere miteinander und stellen einen solchen Kontakt dazwischen her. Sie sind also an dem Abschnitt der DNA, welcher nicht wie ein Knäuel oder eine Spule gewickelt ist, sondern das Verbindungsstück dazwischen in Form eines Histons. Diese siehst Du hier auf Abbildung 1 noch einmal dargestellt.
Abbildung 1: Histon Oktamer der Kernhistone mit dem Verbindungshiston (hier als H1 bezeichnet)
Nukleosom – Erklärung
Nukleosomen nehmen bei der Bildung der Chromosomen einen relativ frühen Part ein. Das Histon Oktamer und seine Linker-DNA bilden das Nukleosom. Es wurde zuerst von Ada und Donald Olins entdeckt. Die beiden Wissenschaftler konnten so erstmals ein Nukleosom in einem gequollenen Zellkern über ein Elektronenmikroskop abbilden. Dadurch wurde das Nukleosom als die kleinste Verpackungseinheit des Chromosoms definiert.
Forschung zum Nukleosom Aufbau
Nach den Aufnahmen aus dem Elektronenmikroskop wurde zunächst von Adam Klug versucht, die Struktur der Nukleosomen 1984 mit seiner Arbeitsgruppe zu ermitteln. In seiner Arbeitsgruppe war auch der Wissenschaftler Timothy Richmond zugegen. Richmond übernahm die Forschung an der Analyse der Struktur und trieb diese voran. 1997 gelang es Richmond mit seiner Arbeitsgruppe ein Bild mit einer guten Auflösung eines Nukleosoms zu erhalten. Diese Arbeitsgruppe unter Richmond erstellte 2002 eine sogar noch bessere Aufnahme. Die Arbeitsgruppe und Richmond leisteten damit wichtige Arbeit über die Erkenntnisse zu den Nukleosomen und deren Struktur.
Nukleosom – Funktion
Die Nukleosomen liegen im Zellkern ( = Nukleolus) vor. Dort verpacken diese die DNA und haben auch diverse andere Aufgaben:
Bildung des Chromatin Fadens
Die Nukleosome bilden zusammen mit ihrer Linker-DNA die 30 nm Fiber, genauer gesagt die Solenoid Struktur. Diese beschreibt die Verdichtung der DNA mit einer hohen Anzahl von Kontakten zu Nukleosomen. Wenn sich diese dann aufwickeln, ergibt sich das fadenförmige Chromatin, eine Art Organisationsstruktur der DNA. Dieses Aufwickeln wird auch als Superspiralisation (super coil) bezeichnet. Wenn sich dieses Chromatin weiter aufwickelt, kommt es zur Bildung des Chromosoms.
Nukleosomen bilden Chromosomen
Das Nukleosom ist die kleinste Verpackungseinheit in einem Chromosom. Nur durch die Nukleosomen und die Spiralisierung kann die DNA so klein gefaltet und komprimiert werden. So kann sich das fadenähnliche Chromatin durch diesen Kontakt bilden. Aus diesem Chromatin wird dann letztlich das hochkondensierte Chromosom. Den Weg von einer DNA-Doppelhelix-Struktur zu einem Chromosom findest du in der unten stehenden Abbildung 2.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des strukturellen Weges von der DNA-Doppelhelix bis zum späteren Chromosom
Nukleosomen bei der Mitose
Die DNA muss bei der Zellteilung (Mitose) hoch kondensiert in Chromosomen vorliegen. Dafür sind die Nukleosomen ein wichtiger Baustein. Diese bilden letztlich den Baustein des Chromatinfadens und der Chromosomen. In der Metaphase der Mitose lagern sich die Chromosomen in der Mitte der Zelle (Äquatorialebene) an, um danach auseinandergezogen und schlussendlich auf zwei Zellen verteilt zu werden.
Verpackung der DNA durch Nukleosomen
Die Gene liegen auf der DNA-Doppelhelix vor. Damit alle Gene und Informationen von Eukaryoten in den Zellkern passen, müssen diese speziell aufgewickelt und komprimiert, beziehungsweise kondensiert werden.
Beeinflussung durch Nukleosomen
Die Nukleosomen bilden die Verpackungseinheit der DNA mit ihren Basenpaaren. Durch die enge Verpackung und den Kontakt können Nukleosomen die DNA und deren Zugänglichkeit beeinflussen.
Beeinflussung der Transkription durch Nukleosomen
Die Nukleosomen können die DNA so modifizieren, dass diese besser oder schlechter verpackt ist, also der Kontakt fester oder lockerer ist. Eine stark kondensierte DNA kann von diversen Enzymen räumlich nicht erreicht werden. Wenn nun aber die DNA lockerer vorliegt, kann diese von Enzymen, wie der DNA-Polymerase abgelesen werden.
Vorgang der Transkription durch Nukleosomen
Nukleosomen können also beeinflussen, ob die DNA abgelesen wird oder nicht. Wenn nun verschiedene DNA Abschnitte gelockert vorliegen und abgelesen werden, können die Gene darauf in der Proteinbiosynthese zu Proteinen und Bausteinen des Körpers verarbeitet werden. Gerade die Nukleosomen an Promotoren oder Enhancern der DNA, welche das Ablesen initiieren, können einen großen Einfluss auf die Transkription haben.
DNA Zugänglichkeit bei der Mitose
Bei der Zellteilung (Mitose) werden, besonders in der Metaphase, die hochkondensierten Chromosomen benötigt. Die DNA kann aber nur abgelesen werden, wenn sie locker vorliegt. Daraus kann geschlossen werden, dass in einem dicht verpackten Chromosom ein Ablesen (Transkription) der DNA nicht möglich ist.
Epigenetische Modifikation durch Nukleosomen
Die Zellen im Körper tragen nahezu alle die gleiche DNA, also den gleichen Bauplan im Zellkern. Trotzdem gibt es im Organismus viele verschiedene spezialisierte Zellen.
Epigenetik ist die Veränderung von Chromosomen, die sich beispielsweise auf die Aktivität verschiedenster Gene auswirkt. Dabei wird aber die DNA-Sequenz nicht verändert.
Spezialisierte Zellen im Körper stammen von der epigenetischen Modifikation der Zellen durch Nukleosomen. Dadurch, dass durch die Nukleosomen immer unterschiedliche Abschnitte der DNA locker vorliegen, können nur bestimmte Proteine in bestimmten Zellen exprimiert werden und sind nur dort vorhanden. Die Nukleosomen sorgen also im Körper für die Ausbildung unterschiedlicher spezialisierter Zellen.
Nukleosomen – Autoimmunkrankheiten
Wie jeder Baustein des Körpers haben auch Nukleosomen einige Schwachstellen. Diese können weitreichende Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben. Nukleosomen können nämlich Autoimmunerkrankungen verursachen.
Autoimmunerkrankungen erklärt
Unter Autoimmunerkrankungen werden Krankheitsbilder zusammengefasst, in denen der menschliche Körper einen körpereigenen Stoff als körperfremd erkennt. Dadurch versucht das Immunsystem gegen diesen Stoff vorzugehen und bildet Antikörper. Diese richten sich aber dann fälschlicherweise gegen den eigenen Körper, weswegen sie auch als Auto-Antikörper bezeichnet werden. Ein typisches Beispiel einer Autoimmunkrankheit ist Diabetes Typ I.
Autoimmunerkrankung der Nukleosomen
Werden Nukleosome von Auto-Antikörpern angegriffen, kann es passieren, dass sie frei im Körper herumwandern und Entzündungsreaktionen auslösen. Dies ist beispielsweise bei der Krankheit SLE der Fall. Zu den Symptomen der Krankheit gehören Entzündungen von Blutgefäßen, Gelenken oder Organen wie der Niere.
Es gibt heute Hinweise darauf, dass durch einen sogenannten "Nukleosomen-Abdruck" (zellfreie DNA) bei Krebserkrankungen die Lage des ursprünglichen Primärtumors erkannt werden könnte. Dies wäre ein wichtiger Schritt in der Krebs-Forschung und -Therapie.
Nukleosom - Das Wichtigste
- Nukleosomen bestehen aus Histonen und dem DNA-Abschnitt, den sie umwickeln.
- Nukleosomen bilden die kleinste Verpackungseinheit des Chromatins.
- Durch Superspiralisation (Solenoid Struktur) der Nukleosomen entsteht letztlich das Chromatin und dann das Chromosom.
- Nukleosomen können bei epigenetischen Modifikationen und der Regulation der Transkription eine Rolle spielen.
- Werden Nukleosomen von körpereigenen Antikörpern als körperfremd erfasst, liegt eine Autoimmunerkrankung vor.
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