Het nucleosoom - de bouwstenen van chromosomen

Velen hebben al gehoord van desoxyribonucleotidezuur, beter gekend als DNA en waarschijnlijk nog meer mensen hebben al van chromosomen gehoord. Minder mensen weten wat de link is tussen beiden, maar nog minder mensen weten ook effectief hoe deze link tot stand komt. Histonen zullen DNA rondt zich wikkelen en aanleiding geven tot een nucleosoom. Dit artikel geeft een basisuitleg over de opbouw van deze zogenaamde nucleosomen en hoe DNA via deze opgevouwd wordt tot een chromosoom.

Inhoud

• DNA-dubbel helix
• Het chromosoom
• Het nucleosoom
• De histonen
• Samenvatting

Elk stuk DNA met zijn geassocieerde proteinen wordt een chromosoom genoemd. Deze organisatie is dezelfde voor alle eukaryoten (zoals alle dieren, planten, zwammen,...), prokaryoten (bacteria en archaea) en virussen.

DNA-dubbel helix

DNA bestaat uit de 4 gekende basen: A (adenine), T (thymine), C (cytosine) en G (guanine). Een lange opeenvolging (de sequentie) van deze basen wordt een DNA streng genoemd. Een DNA streng komt (in de bijna alle organismen) nooit alleen voor, maar altijd gekoppeld aan een tweede streng, de complementaire DNA streng. Als deze 2 strengen samen voorkomen, wordt dit geheel een dubbelstrengige DNA helix (afkomstig van het Griekse "ἕλιξ", ook wel spiraal) genoemd. De helix werd voor het eerst beschreven door nobelprijswinnaars Watson and Crick. De 4 basen zijn allen aan elkaar gekoppeld via een fosfaat-rijke ruggegraat. Belangrijk om te onthouden is dat deze ruggegraat een algemene negatieve lading heeft.

Het chromosoom

Functies

Het samenpakken van DNA tot een gestructureerd geheel heeft meerdere functies:

1. Het chromosoom is een compacte vorm die er voor zorgt dat DNA in een cel past.
2. Chromosomen zijn stabiel en stevig en beschermen DNA tegen schade.
3. DNA in chromosomen verpakt is de enige manier om efficient DNA door te gevenaan dochtercellen (tijdens de celdeling).
4. Het chromosoom biedt een goede organisatie voor elke aparte DNA dubbelstreng.

Dubbelstrengig DNA kan zeer lang worden. Chromosoom 1 is het langste menselijke chromosoom. Het ontwonden DNA van dit chromosoom heeft een lengte van bijna 5 cm. Deze lange streng en de strengen van de andere 47 chromosomen (een mens heeft 23 chromosomenparen) moeten allen in de cel passen. Het totale DNA van een menselijke cel kan tot 2m lang zijn als alle DNA strengen kop-staart aan mekaar geplaatst worden. Aangezien een typische menselijke cel slechts een diameter heeft van 10-15 micrometer, is het duidelijk dat het DNA een aantal keren gecompacteerd moet worden.

Een mens kan zich voorstellen dat zo een lange keten gemakkelijk breekt. Hij moet daarom gestabiliseerd worden. Compactering biedt zeer veel steun aan de vrij brose helix structuur.

Opbouw

Chromosomen bestaan zoals gezegd uit DNA en de geassocieerde proteinen. Meer dan de helft van deze proteinen zijn de histonen. Andere, non-histon proteinen, zijn onder andere de proteinen nodig voor DNA replicatie, DNA herstel, transcriptie, enz. Deze histonen zijn de basisbouwstenen voor de compactering van het DNA tot chromosomen. Het resultaat van een regelmatige binding van histonen en DNA en wordt het nucleosoom genoemd.

Het nucleosoom

Nucleosomen zijn de bouwstenen van chromosomen. De formatie van nucleosomen is de eerste stap in een proces dat DNA toelaat om in een meer compacte toestand opgevouwd te worden, die de lineaire lengte van het DNA met een factor 10000 verkleinen. Hoewel voor alle organismen ter wereld DNA de sleutel tot leven is (zelfs voor RNA virussen), bezitten niet alle organismen de mogelijkheid om hun DNA te verpakken door middel van nucleosomen. Dit is enkel weggelegd voor de eukaryote organismen.

Opbouw

Het DNA wordt rond de histonen gewikkeld. DNA rond een histonen kern gewikkeld wordt een nucleosoom genoemd. Vele nucleosomen na elkaar worden ook wel "beads-on-a-string" (kralen aan een snoer) genoemd. Het DNA (de string) tussen nucleosomen (de beads) wordt "linker-DNA" (koppelings-DNA) genoemd. Het DNA dat zeer sterk met nucleosomen geassocieerd wordt wordt "core-DNA" (kern-DNA) genoemd. De beads-on-a-string structuur wordt ook wel de 10 nm vezel genoemd. Als deze op zich nog eens compacteert verkrijgt men een 30 nm vezel. Deze 30nm vezel vormt lange lussen, die samengehouden worden door een ander type proteinen. Deze lange lussen condenseren op zich weer en vormen zo de chromosomen.

Somminge stukken DNA zijn niet ingepakt in nucleosomen. Deze stukken DNA worden meestal constant gebruikt voor reparatie, transcriptie, enz. Hoewel ze niet gebonden zijn aan histonen, zijn ze zeer vaak wel gebonden door non-histone proteinen, die instaan voor de regeling van herstel, transcriptie, enz.

Nadelen

Het compacteren van DNA heeft een groot nadeel. DNA bevat de code van het leven. Deze code is niet alleen nodig om leven te generen, zoals een eicel en een spermacel die samenvloeien en uiteindelijk een kind vormen, maar ook om dat leven in stand te houden. Het lichaam ondergaat elke dag veranderingen en ondervindt invloed van buitenaf. Om hierop te kunnen reageren moet het DNA beschikbaar zijn op de momenten dat het nodig is. DNA compactatie verhindert deze toegankelijkheid en is daarom, zoals zoveel processen in het lichaam, strikt gereguleerd.

De histonen

Histonen zijn de meest voorkomende proteinen in contact met DNA. Eukaryote cellen bezitten 5 verschillende histonen. Deze zijn:

• Histon H1
• Histon H2A
• Histon H2B
• Histon H3
• Histon H4

Histon-kern

Histon H2A, H2B vormen 2 dimeren (een dimeer is een koppel van proteinen) en H3 en H4 vormen 2 dimeren. Deze, in totaal 4, dimeren zullen het DNA oprollen. Dit is vergelijkbaar met een touwtje, opgewonden rond een spoel. De histonen die dimeren vormen worden "core-histones" of kern-histonen genoemd.

Histon H1 is een buitenbeentje. Het zal het DNA niet opwinden, maar het bindt aan DNA dat al rond een histon-kern loopt. Hierdoor fixeert het het DNA op de histon kern en zal het de opvouwing nog verbeteren. DNA rond een histon kern vormt een 10nm vezel. Een 10 nm vezel die verstevigt wordt met H1 histonen zal een 30 nm vezel vormen. Naast de H1 histonen zijn ook de "staarten" van de 4 kern histonen vereist om een 30 nm vezel te vormen.

Histon-staarten

De histon staarten zijn de N-terminale delen van de histon-proteinen. Deze staarten steken buiten de spoel uit. Ze hebben verschillende functies:

• Ze zorgen voor stabilisatie van de 30 nm vezel.
• Ze beinvloeden de sterkte van de DNA binding.
• Ze vormen de basis voor de histon code.

De 4 kern histonen hebben elk een staart die buiten het opgewonden DNA uitsteekt. Deze staarten geleiden de DNA streng rond de schijf die ze vormen. Dit systeem kan een vergeleken worden met een schroef. De aminozuren die deze proteinen opmaken hebben meestal een positief geladen zijketen, zoals lysine en histidine. Deze positieve ladingen stabiliseren de negatief geladen ruggegraat van de DNA streng.

Bepaalde eiwitten zijn erin gespecialiseerd om chemische groepen op deze zijketens te plaatsen. Acetylatie (de plaatsing van een acyl groep) op een lysine aminozuur, maskeert deze positieve lading. Hierdoor, als deze acetylatie op meerdere plaatsen voorkomt, zal het DNA minder sterk gewonden worden en daardoor een lossere, meer open structuur aannemen. Op deze plaatsen zullen non-histon eiwitten de kans krijgen om op het DNA te binden. Vele andere veranderingen van deze histonstaarten zijn mogelijk. De extensieve mogelijkheden en de daaruit voortvloeiende verschillende combinaties, vormen de zogenaamde "histon-code". Net zoals de 4 letters in het DNA de genetische code vormen, vormen deze modificaties de zogenaamde epigenetische code. Vele combinaties hebben hun eigen betekenis en bepalen welke vorm het DNA aanneemt en welke andere, non histon eiwitten op het DNA gaan binden.

Samenvatting

• DNA komt voor als een dubbelstrengige helix.
• De histon kern bindt DNA en vormt een nucleosoom.
• Deze binding wordt beinvloedt door de histonstaarten.
• De toevoeging van H1 aan nucleosomen vormt de 30nm vezel.
• De 30nm vezel vouwt verder op tot grote lussen.
• Deze grote lussen pakken samen en vormen een chromosoom.