I. Einleitung
II. Das Nukleosom
III. Histon Proteine
III.1. Core-Histone
III.2. Linker-Histone
IV. Stufen des Chromatin-Aufbaus
V. Aktivierende Chromatin-Faktoren
V.1. Histonbindende Faktoren
V.2. Chromatin Remodeling und Histon-modifizierende Faktoren
VI. Die Organisation des Genoms im Zellkern
Englisch
Französisch
Spanisch
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In eukaryotischen Zellen ist das genetische Material in einer komplexen Struktur organisiert, die aus DNA und Proteinen besteht und in einem spezialisierten Kompartiment, dem Nukleus, lokalisiert. Diese Struktur wird Chromatin genannt (aus dem griechischen: „khroma“ heißt gefärbt und „soma“ Körper). Nahezu 2 Meter DNA muß in jeder Zelle verpackt werden, um im kleinen Nukleus von einigen µm Durchmesser Platz zu finden. Trotz dieses enormen Grad an Verpackung muß die DNA schnell zugänglich sein damit Proteinmaschinen interagieren können um verschiede Funktionen zu erfüllen:
Replikation
Reparatur
Rekombination
Die dynamische Struktur des Chromatins beeinflußt daher wahrscheinlich alle Funktionen des Genoms.
Das Chromatin wird unterteilt in:
Euchromatin
Heterochromatin
Heterochromatin wird als Struktur definiert, die sich in ihrer Kondensation während des Zellzyklus nicht verändert, wohingegen das Euchromatin während der Interphase dekondensiert. Das Heterochromatin ist meistens in der Peripherie des Zellkerns lokalisiert, während das Euchromatin im Zentrum zu finden ist. Wir unterscheiden:
konstitutives Heterochromatin, enthält wenig Gene und viele repetitive Sequenzen, die auch in Zentromeren und Telomeren vorkommen.
fakultatives Heterochromatin, enhält aktive Gene und kann strukturelle und funktionelle Charakteristika des Heterochromatins annehmen, wie im inaktiven X-Chromosom der Säugetiere.
In diesem Übersichtsartikel wollen wir die Komponenten des Chromatins beschreiben und die verschiedenen Stufen seiner Organisation vom Nukleosom bis hin zu Domänen im Nukleus skizzieren. Wir diskutieren, wie die Veränderung der grundlegenden Bestandteile des Chromatins die Aktivität beeinflußt und wie Faktoren die Unterschiede in seiner dynamischen Struktur vermitteln. Zuletzt fassen wir zusammen, wie das Chromatin die Organisation des Genoms auf der Ebene des Nukleus beeinflußt.
Der partielle Verdau von DNA, eingebettet im Chromatin, generiert Fragmente von Längen zwischen 180 und 200 Basenpaaren, die elektrophoretisch getrennt werden können. Diese regelmäßige Struktur des Chromatins wurde später durch elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigt, die gleichmäßig angeordnete Partikel zeigten und entsprechend „Perlen auf einer Kette“ genannt wurden. Das Verhältnis der Stöchiometrie von Nukleosomen und DNA beträgt 1 zu 1, bezogen auf die Masse.
Das Nukleosom ist die fundamentale Einheit des Chromatins. Es besteht aus:
einem core-Partikel und
einer Linker-Region (internukleosomale Region), die benachbarte Nukleosomen verbindet (Abb. 1).
Das Core-Partikel ist hoch konserviert zwischen verschiedenen Spezies und besteht aus 146bp DNA, die 1,7-fach um ein Protein-Oktamer gewunden ist, das je zwei Core-Histone H3, H4, H2A und H2B enthält.
Die Länge der Linker-Region variiert zwischen Spezies und Zelltyp. Innerhalb dieser Region binden die in ihrer Sequenz variablen Linker-Histone. Daher kann die Länge der DNA in einem Nukleosom zwischen 160 und 241bp variieren.
Strukturanalysen ergaben, dass die DNA durch die Windung um das Oktamer stark verformt wird und dass die Core-Histone über sogenannte „Histon-Faltungsdomänen“ interagieren, die die Form zweier sich schüttelnder Hände hat.
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Abb. 1. Darstellung der Chromatin-Grundeinheiten Nukleosom und Chromatosom.
III. Die Histon Proteine
Bei den Core-Histonen (H3, H4, H2A, H2B) handelt es sich um kleine, basische, hoch konservierte Proteine (Abb. 2). Die am stärksten konservierte Region dieser Histone ist deren zentrale Domäne, die strukturell die „Histon-Faltungsdomäne“ enthält und aus drei alpha-Helices besteht, die durch zwei Loop-Regionen getrennt sind. Im Gegensatz dazu ist die N-terminale Domäne von jedem Histon stärker variabel und unstrukturiert. Diese Regionen sind besonders reich an Lysin und Arginin und machen sie sehr basisch. Weiterhin werden diese Regionen durch verschiedene posttranslationale Modifikationen verändert, die deren Ladung und somit die DNA-Bindungseigenschaften beeinflussen und zu Protein-Protein-Interaktionen des Nukleosoms beitragen.
Interessanter Weise enthalten auch andere Protein eine „Histon-Faltungsdomäne“.
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Abb. 2: Die Core-Histone.
A: Struktur der nukleosomalen Histone.
B: N-terminale Domänen der Core-Histone. Die Zahlen geben die Position der Aminosäure an. Posttranslationale Modifikationen sind dargestellt: Acetylierungsstellen (ac in Rot); Phosphorylierungsstellen (p in Blau); Methylierungsstellen (m in Grün); ADP-Ribosylierungsstellen (rib in Lila)
Linker-Histone binden die Linker-Region zwischen zwei Nukleosomen. Im Gegensatz zu den Core-Histonen sind Linker-Histone zwischen verschiedenen Spezies nicht stark konserviert. In höheren Eukaryoten bestehen sie aus drei Domänen: Einer globulären, nicht polaren zentralen Domäne, die für die Bindung mit der DNA verantwortlich ist, und zwei nicht strukturierten N- und C-terminalen Domänen, die posttranslational modifiziert werden. Linker-Histone modulieren das Spacing (Abstände) der Nukleosomen und die Verpackung des Chromatins zu höheren Ordnungen.
Der Aufbau von Chromatin auf DNA beeinhaltet eine Reihe von Vorgängen, die mit der Bildung der Grundeinheit des Nukleosoms beginnen und zu einer komplexen Organisation von spezifischen Domänen im Kern führen. Dieser stufenweise Aufbau ist schematisch in Abb. 3 gezeigt.
Die erste Stufe ist die Bindung von neu syntetisierten (H3-H4)2 Tetrameren an die DNA was zur Bildung von subnukleosomalen Partikeln führt. Anschließend folgt die Bindung von zwei H2A-H2B Dimeren. Es entsteht ein nukleosomaler Core-Partikel, der aus 146bp DNA besteht, die um das Histon-Oktamer gewunden ist. Dieses Core-Partikel bildet zusammen mit der Linker-DNA das Nukleosom. Neu syntetisierte Histone sind spezifisch modifiziert (z.B. wird Histon H4 acetyliert).
Die nächste Stufe besteht aus der Reifung, die ATP benötigt um ein regelmäßiges Spacing der Nukleosomen zu ermöglichen. Es ensteht das Nukleofilament. Die inkorporierten Histone sind in dieser Phase nicht acetyliert.
Als nächstes werden die Linker-Histone gebunden, das zur Faltung des Nukleofilaments zum 30nm-Filament führt. Die Struktur dieses Filamentes ist bisher nicht genau gklärt. Es existieren zwei Modelle: Das Solenoid-Modell und das Zick-zack-Modell.
Anschließend führen weitere Faltungsschritte zu einer Erhöhung der Organisation und zu Domänen im Kern.
Bei jedem beschriebenen Schritt der Verpackung wird Variation in der Komposition und Aktivität des Chromatins durch Modifikation der Grundeinheiten und durch die Aktivität von Faktoren erzeugt, die den Prozess des Aufbaus und des Abbaus regulieren.
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Abb. 3. Die Stufen des Chromatin-Aufbaus.
Die Zusammensetzung beginnt mit dem H3/H4 Tetramer (1) zu dem zwei H2A-H2B Dimere hinzukommen, um das Corepartikel zu bilden. Die neu synthetisierten Histone werden spezifisch modifiziert: Histon H4 wird an Lys5 und Lys12 acetyliert (H3-H4*). Zur Reifung wird ATP benötigt, um ein regelmäßiges Spacing zu etablieren, und die Histone werden deacetyliert (3). Die Inkorporation des Linker-Histons führt zur Bildung des Nukleofilaments. Das hier gezeigte Model zeigt die Solenoidstruktur in dem 6 Nukleosomen pro Umgang benötigt werden (4). Weitere Faltungsschritte führen zur definierten Domänenorganisation innerhalb des Kerns (5).
In den ersten Schritten des Chromatinaufbaus können die elementaren Partikel variieren:
auf der Ebene der DNA (z.B. über Methylierung)
auf der Ebene der Histone durch differentielle posttranslationale Modifikationen und den Einbau von Varianten (z.B. die Variante von H3: CENP-A)
All diese Variationen können zu Unterschieden in Strktur und Aktivität des Chromatins führen. Die vielen möglichen posttranslationalen Modifikationen der Histon-Termini sind in Abb. 2 zusammengestellt (wie z.B. Acetylierung, Phosphorylierung, Methylierung, Ubiquitinierung, polyA-Ribosylierung). Sie werden mit spezifischen biologischen Prozessen in Verbindung gebracht, die als hypothetische Sprache oder „Histon-Code“ bezeichnet wird (dabei handelt es sich um eine Arbeitshypothese!). Dieser Code wird durch andere Proteine gelesen, die eine Interpretation dieser Veränderungen ermöglichen. Die Inkorporation von Histonvarianten könnte wichtig bei der Spezifizierung von Chromatindomänen sein. So handelt es sich bei CENP-A um eine Histon H3-Variante, die mit inaktiven Zentromerregionen assoziiert ist und bei macro-H2A um eine Varinte, die mit dem inaktiven X-Chromosom bei weiblichen Säugern verbunden ist. Die Variante H2A-X ist bei der Bildung von Foci beteiligt, die DNA-Reparatur von Doppelstrangbrüchen durchführen. Weiterhin bestehen Hinweise, dass H2A.Z eine Funktion bei der Chromatinveränderung im Rahmen der Transkription hat.
Während der Reifungsschritte werden Linker-Histone und nicht-Histonproteine, sog. HMG (High Mobility Group) und andere DNA-bindende Proteine eingebaut und falten und regulieren die Struktur des Nukleofilaments. Daher haben die frühen Schritte im Chromatinaufbau einen großen Einfluß auf die Charakteristika der spezifischen Chromatindomänen.
V.1. Histon interagierende Faktoren
Saure Faktoren können Komplexe mit Histonen bilden und den Prozeß der Histonzusammenführung verstärken. Sie agieren als Histon-Chaperone und erleichtern die Zusammensetzung der Nukleosomen, ohne am Ende ein Bestandteil zu sein. Diese Histon interagierenden Faktoren werden auch Chromatin Assembly Faktoren bezeichnet und binden bevorzugt Teilmengen der Histone. So interagiert z.B. Chromatin Assembly Factor 1 (CAF1) mit neu synthetisierten und acetylierten Histonen H3 und H4, um spezifisch Chromatin während der Replikation zusammenzusetzen. CAF1 ist auch beim Chromatinaufbau währen der DNA-Repaprtur beteiligt. Die kürzlich gezeigte Interaktion von CAF1 und PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) stellt die molekulare Verbindung zwischen Chromatinaufbau und den Prozessen der Replikation und der Reparatur her. Der Aufbau von spezialisierten Regionen der Zentromere durch CENP-A oder der Telomere könnte das Ergebnis von bisher unbekannten Histon-Chaperonen sein.
V.2. Remodelling Maschinen und Histon-modifizierende Enzyme
Stimulierende Faktoren agieren auch bei der Chromatin-Reifung zur Organisation und zum Erhalt von definierten Chromnatinzuständen. Ihr Einfluß auf das Chromatin kann Konformationsänderungen auf der Ebene der Nukleosomen oder mehr global über große Chromatindomänen induzieren. Diese Faktoren gehören zu zwei Typen: Die einen benötigen Energie in Form von ATP und werden als Chroamtin Remodelling Maschinen bezeichnet, die anderen agieren als Enzyme und modifizieren Histone posttranslational.
Chromatin Remodelling Maschinen sind multi-Protein Komplexe (SWI/SNF, ISWI, Mi2/NuRD Familien). Die Aktivität der ATPase setzt freie Energie durch die Hydrolyse von ATP frei und erlaubt dem Komplex, die Struktur des Nukleosoms zu modifizieren. Studien von Faktoren, die die reguläre Anordnung von Nukleosomen während der Chromatinzusammensetzung stimulieren, führte zur Identifizierung von mehreren multi-Protein-Komplexen, die die Nukleosomen „verschieben“ können. Die Gemeinsamkeit dieser Faktoren ist deren enorme Größe und deren Zusammensetzung aus meheren Untereinheiten, einschließlich der ATPase.
Posttranslationale Modifikationen: Die Histon-Code-Hypothese versucht die verschiedenen Aktivitäten des Chromatins zu erklären. Die unstrukturierten N-terminalen Enden der Histone ragen aus den Nukleosomen heraus und stellen die Regionen dar, an denen die Enzyme posttranslationale Veränderungen mit hoher Spezifität vornehmen. Die am besten charakterisierte Modifikation ist die Acetylierung von Lysinen. Acetylierung ist das Ergebnis eines Equilibriums von zwei gegenläufigen Enzymaktivitäten: Histon-Acetyl-Transferase (HAT) und Histon-Deacetylase (HDAC). HATA hat histonactyltransferase-Aktivität und HDAC1 ist eine Histon-Deacetylase. Viele Proteine, die eine Rolle bei der Regulation der Transkription spielen, haben intrinsische Histon-acytyltransferase-Aktivität. Ebenso wurden Histon-Deacetylasen als Komponenten von multi-Protein Komplexen nachgewiesen, die repressives Chromatin vermitteln. In diesen Komplexen wurden Faktoren der Mi-2 Familie nachgewiesen und zeigen so eine Verbindung zwischen Remodelling von Nukleosomen und Histon-Deacetylierung während der chromatinvermittelten Repression.
Die Methylierung von Histonen spielt funktionell eine wichtige Rolle. Eine Histon-Methyltransferase methyliert spezifisch Histon H3 auf Lysin 9 und diese Methylierung modifiziert die Interaktion von H3 mit Heterochromatin-assoziierten Proteinen.
Die beiden möglichen Modifikationen (Acetylierung und Methylierung) auf demselben Lysin 9 der N-terminalen Domäne von H3 vermitteln eine gute Vorstellung von der Histon-Code-Hypothese. Acetyliertes Lysin in H3 und H4 Termini ermöglichen eine selektive Interaktion mit der Chromodomäne des Heterochromatin-assoziierten Proteins HP1. So vermittelt acetyliertes Lysin spezifische Protein-Protein Interaktionen zusätzlich zur Verminderung der Gesamtladung der Histone, was zur Destabilisierung des Nukleosoms beiträgt.
Die höheren Stufen der Chromatinkompaktierung sind nicht gut charakterisiert. Das Nukleofilament der 30nm Fiber ist weiter organisiert in Faltungen aus 150 bis 200 kb (250nm während der Interphase), was zu einer maximalen Kompaktierung während der Metaphase führt (850nm).
Das Chromatin während der Metaphase wurde in verschiedene Regionen eingeteilt, die sich auf ein spezifisches Bandenmuster beziehen. Die grundsätzlichen Banden sind:
G und C Banden: Replizieren spät in der S-Phase und entsprechen Heterochromatin
R Banden: Replizieren früher in der S-Phase und repräsentieren Euchromatin
Die Lokalisierung der Chromosomen in der Interphase zeigt, dass jedes Chromosom einen bestimmten Raum besetzt. In Säugern variiert die Organisation der Chromosomen in Abhängigkeit des Zelltyps. Während der Interphase sind die Regionen der Metaphase-Bandierung im Kern bezüglich ihres Replikationszeitpunktes lokalisiert:
die spät replizierenden G und C Bänder und die transkriptionell inaktiven Telomere liegen in der Peripherie, während
genreiche Regionen präferentiell im Inneren des Kerns liegen.
Obwohl jedes Chromosom einen unterschiedlichen Bereich besetzt, können Teile verschiedener Chromosomen funktionelle Domänen bilden. Lokalisierungsuntersuchungen mittels FISH zeigen, dass Gene auf den Oberflächen der Chromosomen-Territorien liegen. In einem hypothetischen Model sind heterochromatische Proteine wie HP1, SIR3P/SIR4P und ATRX und Transkriptionsfaktoren wie IKAROS und Assembly-Faktoren wie CAF1 an der Etablierung und dem Erhalt von Kerndomänen beteiligt.
Tabelle: Überarbeitete Nomenklatur der HMG Proteine
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Liste der Abkürzungen:
ATP: Adenosin Triphosphat
C-terminal: Carboxy-terminal
CAF1: Chromatin Assembly Factor 1
CENP-A: CENtromer Protein-A
HAT: Histon Acetyltransferase
HDAC: Histon Deacetylase
HMG: High Mobility Group
HP1: Heterochromatin Protein 1
N-terminal: Amino-terminal
PCNA: Proliferating Cell Nuclear Antigen
SWI/SNF: Mating type SWItching/Sucrose Non-Fermenting
Liste von Definitionen:
Chromatin: Träger der genetischen Information. Komplexe Struktur bestehend aus DNA und Proteinen mit Lokalisation im Zellkern.
Chromatin Remodelling Maschinen: Induzieren Konformationsänderungen von Nukleosomen oder Chromatindomänen unter Energieverbrauch in der Form von ATP.
Euchromatin: Chromatin, das in der Interphase dekondensiert vorliegt.
Fakultatives Heterochromatin: Besteht aus transkriptionell aktiven Regionen und hat strukturelle und funktionelle Charakteristiken von Heterochromatin.
G, C und R Bänder: Entsprechen der Organisation von Metaphasechromosomen.
Heterochromatin: Entspricht der kondensierten Form des Chromatins und ändert sich nicht während des Zellzyklus.
Histon Chaperone: Saure Faktoren, die Komplexe mit Histone bilden und den Prozeß der Nukleosomenzusammensetzung aktivieren, ohne Bestandteil des Produktes zu sein.
Histon-Code: Hypothese über eine Sprache, die Histonmodifikationen in spezifische biologische Aktivitäten übersetzt. Diese Modifikationen werden durch andere Proteine/Komplexe erkannt und interpretiert.
HMG: Nicht-Histon Proteine. DNA-bindende Proteine, die Nukleosomenabstände und Faltungen des Nukleofilamentes regulieren.
Nukleosom: Fundamentale Einheit des Chromatins. Es besteht aus DNA und Histonproteinen. Es stellt die erste Kompaktierungsstufe der DNA im Zellkern dar.
Ubersetzung : Stefan Nagel, DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen, Mascheroder Weg 1b 38124, Braunschweig, Germany
Patricia Ridgway~Christçle Maison~Genevièvee Almouzni
Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2022-05-12
Chromatin
Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209056/chromatin