Nukleosom

Medizinische Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher (Facharzt für innere Medizin) am 10. November 2016
Symptomat.deAnatomie Nukleosom

Ein Nukleosom stellt die kleinste Verpackungseinheit eines Chromosoms dar. Zusammen mit dem Linker-Protein und der Linker-DNA gehören die Nukleosomen zum Chromatin, dem Material, aus welchem die Chromosomen bestehen. Im Zusammenhang mit Antikörpern gegen Nukleosomen können sich Autoimmunerkrankungen des rheumatischen Kreises entwickeln.

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein Nukleosom?

Nukleosomen bestehen aus DNA, die um ein Octamer aus Histonen gewunden ist. Histone sind bestimmte basische Eiweißmoleküle, die eine starke Bindungskraft zur DNA-Kette entwickeln. Besonders die häufig vorkommenden basischen Aminosäuren Lysin und Arginin sorgen für die Basizität der Histone.

Die basischen Eiweiße können sich fest mit der sauren DNA verbinden und damit die fest verpackte Struktur der Nukleosomen bilden. Das Nukleosom ist jedoch nur die elementarste Verpackungseinheit des Chromatins und damit des Chromosoms. Die Entdeckung der Nukleosomen erfolgte im Jahre 1973 durch Donald Olins und Ada über die elektronenmikroskopische Darstellung von gequollenen Zellkernen. Dabei wurde die sogenannte Solenoidstruktur der DNA aufgedeckt. Es handelt sich dabei um die Verdichtung einer größeren Anzahl von Nukleosomen zu einer Chromatinfaser.

Diese Faser sieht aus wie eine gewundene Spule. Die einzelnen Nukleosomen sind durch die sogenannten Linker-Histone, die an die Linker-DNA gebunden sind, miteinander verknüpft und bilden im Chromatin eine als 30nm-Fiber bezeichnete Organisationsstruktur aus.

Anatomie & Aufbau

Das Nukleosom besteht aus zwei Grundkomponenten, den Histonen und der DNA. Die Histone bilden zunächst ein Histonoktamer. Dieses stellt einen Proteinkomplex aus acht Histonen dar. Die Grundbausteine dieses Komplexes bilden vier verschiedene Histone. Dazu zählen die Proteine H3, H4, H2A und H2B. Zwei gleiche Histone setzen sich jeweils zu einem Dimer zusammen.

Das Histonoktamer besteht wiederum aus den vier unterschiedlichen Dimeren. Ein DNA-Abschnitt mit 147 Basenpaaren wickelt sich nun 1,65-mal um den entstandenen Eiweißkomplex herum und bildet eine linksgängige Superhelixstruktur aus. Durch diese Windung der DNA wird ihre Länge um ein Siebtel von 68 Nanometer auf 10 Nanometer verkürzt. Beim Verdauungsprozess der Histone durch das Enzym DNase entsteht das sogenannte Nucleosomen-Core-Partikel, welches aus dem Histonoktamer und einem DNA-Fragment aus 147 Basenpaaren besteht.

Die einzelnen Nucleosomen-Core-Partikel werden durch das Linker-Histon H1 miteinander verbunden. Das Linker-Histon ist gleichzeitig mit der Linker-DNA verbunden. Das Histon H1 stellt wiederum eine Vielzahl von Eiweißmolekülen dar, die je nach Gewebe, Organ und Art variieren. Sie beeinflussen jedoch nicht die Struktur des Nukleosoms. Bei der Verbindung der Nukleosomen mittels Linker-Histon H1 und Linker-DNA bildet sich die sogenannte 30nm-Fiber, die eine höhere Organisationsstufe der DNA darstellt.

Die 30nm-Fiber ist eine 30 Nanometer dicke Chromatinfaser, die in Form einer gewundenen Spule (Solenoidstruktur) vorliegt. Die Histone sind sehr konservative Proteine, die sich im Laufe der Evolution kaum verändern haben. Das liegt an ihrer grundsätzlichen Bedeutung für die Sicherung und Verpackung der DNA in allen eukaryontischen Lebewesen. So ist auch der Aufbau der Nukleosomen in allen eukaryontischen Zellen gleich.

Funktion & Aufgaben

Die grundlegende Bedeutung der Nukleosomen liegt in ihrer Fähigkeit, das genetische Material auf kleinstem Raum im Zellkern zu verpacken und gleichzeitig zu sichern. Selbst bei weniger dichten Kondensationszuständen der Chromosomen liegt noch eine sehr dichte Verpackung vor. Gleichzeitig gelangen in diesem Fall jedoch Enzyme bis zur DNA.

Hier können sie dann eine Übertragung der genetischen Information auf die mRNA sowie die Synthese von Proteinen veranlassen. Die Nukleosomen haben auch eine große Bedeutung bei epigenetischen Vorgängen. Bei der Epigenetik geht es um die Aktivitätsänderungen von Genen in den einzelnen Zellen, die unter anderem zur Differenzierung der Körperzellen zu verschiedenen Organen führen. Des Weiteren bilden sich erworbene Eigenschaften durch epigenetische Veränderungen heraus.

Dabei bleibt jedoch die genetische Grundstruktur des Erbmaterials erhalten. Verschiedene Gene können aber durch feste Bindung an Histone oder durch Methylierungen inaktiviert sowie durch weniger dichte Verpackung wieder aktiviert werden.




Krankheiten

Es gibt Erkrankungen, die im Zusammenhang mit Nukleosomen stehen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Autoimmunerkrankungen, bei denen das Immunsystem Antikörper gegen körpereigene Eiweiße bildet. Unter anderem können auch Nukleosomen betroffen sein.

So stellen die Nukleosomen bei der systemischen Autoimmunerkrankung Lupus erythematosus (SLE) Antigene dar, die vom körpereigenen Immunsystem angegriffen werden. Bei der Entstehung des systemischen Lupus erythematosus (SLE) spielt wohl die Kombination genetischer Faktoren mit Umwelteinflüssen eine Rolle bei der Pathogenese. Im Serum der Patienten werden erhöhte Konzentrationen an zirkulierenden Nukleosomen gefunden. Die freien Nukleosomen können Entzündungsreaktionen induzieren und den Zelltod von Lymphozyten veranlassen. Zusätzlich kann ein gestörter Abbau von Nukleosomen, etwa durch eine genetisch bedingte verringerte Aktivität der Desoxyribonuklease (DNase1), zu deren erhöhter Konzentration und damit zu einer erhöhten Gefahr der Entstehung einer gegen Nukleosomen gerichteten Autoimmunerkrankung wie dem Lupus erythematosus (SLE) führen.

Der Lupus erythematosus (SLE) ist durch ein sehr umfangreiches klinisches Bild gekennzeichnet. Es können sehr unterschiedliche Organe betroffen sein. Am häufigsten zeigen sich Symptome an der Haut, den Gelenken, den Blutgefäßen und am Rippenfell. Auf der Haut bildet sich ein typisches schmetterlingsförmiges Erythem. Dieses wird durch Sonneneinstrahlung verstärkt. Neben Haarausfall kommt es auch zur Entzündung der kleinen Blutgefäße. Bei Kälteeinwirkung wird das Raynaud-Syndrom (weiße bis bläuliche Verfärbung der Haut) beobachtet. Weiterhin entwickeln sich umfangreiche Gelenkentzündungen. Bei Beteiligung der Nieren verschlechtert sich die Prognose der Erkrankung durch die Gefahr eines Nierenversagens.

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