Euchromatin

Euchromatin (auch „ offenes Chromatin “ genannt) ist eine locker gepackte Form von Chromatin ( DNA , RNA und Proteine ), die reich an Genen ist und häufig (aber nicht immer) aktiv transkribiert wird . Euchromatin steht im Gegensatz zu Heterochromatin , das dicht gepackt und für die Transkription weniger zugänglich ist. 92 % des menschlichen Genoms sind euchromatisch. ^{[ 1 ]}

Bei Eukaryoten stellt das Euchromatin den aktivsten Teil des Genoms im Zellkern dar . Bei Prokaryoten ist Euchromatin die einzige Chromatinform; dies deutet darauf hin, dass sich die Heterochromatinstruktur erst später zusammen mit dem Zellkern entwickelt hat , möglicherweise als Mechanismus zur Bewältigung der zunehmenden Genomgröße.

Euchromatin besteht aus sich wiederholenden Untereinheiten, den sogenannten Nukleosomen , die an eine Kette entfalteter Perlen erinnern und einen Durchmesser von etwa 11 nm aufweisen. ^{[ 2 ]} Im Zentrum dieser Nukleosomen befinden sich vier Histonproteinpaare : H3 , H4 , H2A und H2B . ^{[ 2 ]} Jedes dieser Kernhistonproteine ​​besitzt eine „Schwanz“-Struktur, die auf verschiedene Weise variieren kann. Man geht davon aus, dass diese Variationen durch unterschiedliche Methylierungs- und Acetylierungszustände als „Hauptschalter“ fungieren und so die Gesamtstruktur des Chromatins bestimmen. ^{[ 2 ]} Etwa 147 Basenpaare DNA sind um die Histonoktamere gewickelt, was etwas weniger als zwei Helixwindungen entspricht. ^{[ 3 ]} Die Nukleosomen entlang des Strangs sind über das Histon H1 [ ^{4 ]} und einen kurzen Abschnitt offener Linker ^- DNA von etwa 0–80 Basenpaaren miteinander verbunden . Der wesentliche Unterschied zwischen der Struktur von Euchromatin und Heterochromatin besteht darin, dass die Nukleosomen im Euchromatin viel weiter voneinander entfernt sind, was verschiedenen Proteinkomplexen einen leichteren Zugang zum DNA-Strang und somit eine erhöhte Gentranskription ermöglicht . ^{[ 2 ]}

Euchromatin ähnelt bei starker Vergrößerung einer Perlenkette. ^{[ 2 ]} Aus größerer Entfernung kann es wie ein Knäuel verhedderter Fäden erscheinen, beispielsweise in einigen elektronenmikroskopischen Darstellungen. ^{[ 5 ]} Sowohl in der Licht- als auch in der Elektronenmikroskopie erscheint Euchromatin aufgrund seiner weniger kompakten Struktur heller als Heterochromatin , das ebenfalls im Zellkern vorkommt und dunkel erscheint . ^{[ 6 ] [ 5 ]} Zur Visualisierung von Chromosomen , wie etwa in einem Karyogramm , werden die Chromosomen mittels zytogenetischer Bandenfärbung angefärbt. Diese ermöglicht es, die aus Euchromatin bzw. Heterochromatin bestehenden Chromosomenabschnitte zu erkennen und so chromosomale Unterabschnitte, Unregelmäßigkeiten oder Umlagerungen zu differenzieren. ^{[ 7 ]} Ein Beispiel hierfür ist die G-Bandenfärbung , auch bekannt als Giemsa-Färbung, ^bei der Euchromatin heller als Heterochromatin erscheint. ^{[ 8 ]}

Euchromatin ist an der aktiven Transkription von DNA zu mRNA beteiligt . Seine ungefaltete Struktur ermöglicht es Genregulationsproteinen und RNA-Polymerase- Komplexen, an die DNA-Sequenz zu binden und so die Transkription zu initiieren. ^{[ 2 ]} Obwohl nicht das gesamte Euchromatin transkribiert wird, da es in transkriptionell aktive und inaktive Bereiche unterteilt ist, ^{[ 13 ]} ist Euchromatin dennoch generell mit aktiver Gentranskription assoziiert. Es besteht daher ein direkter Zusammenhang zwischen der Aktivität und Produktivität einer Zelle und der Menge an Euchromatin in ihrem Zellkern.

Man geht davon aus, dass die Zelle die Umwandlung von Euchromatin in Heterochromatin nutzt, um Genexpression und Replikation zu steuern , da sich diese Prozesse auf dicht gepacktem Chromatin anders verhalten. Dies ist als „Zugänglichkeitshypothese“ bekannt. ^{[ 14 ]} Ein Beispiel für konstitutives Euchromatin, das „immer aktiv“ ist, sind Haushaltsgene , die für Proteine ​​kodieren, die für grundlegende Zellfunktionen benötigt werden. ^{[ 15 ]}

Epigenetik umfasst Veränderungen des Phänotyps , die vererbt werden können, ohne die DNA-Sequenz zu verändern. Dies kann durch vielfältige Umwelteinflüsse geschehen. [ ^{16 ] Posttranslationale} Modifikationen der Histone können die Chromatin-Struktur verändern und so die Genexpression beeinflussen, ohne die DNA zu verändern. ^{[ 17 ]} Darüber hinaus korreliert ein Verlust von Heterochromatin und eine Zunahme von Euchromatin mit einem beschleunigten Alterungsprozess , insbesondere bei Erkrankungen, die Symptome vorzeitiger Alterung aufweisen . ^{[ 18 ]} Weitere Studien haben epigenetische Marker auf Histonen für eine Reihe weiterer Erkrankungen identifiziert. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Euchromatin wird primär durch posttranslationale Modifikationen der Histone seiner Nukleosomen reguliert , die von zahlreichen Histon-modifizierenden Enzymen durchgeführt werden . Diese Modifikationen finden an den N-terminalen Enden der Histone statt, die aus der Nukleosomenstruktur herausragen. Man geht davon aus, dass sie Enzyme rekrutieren, um das Chromatin entweder in seiner offenen Form (Euchromatin) oder in seiner geschlossenen Form ( Heterochromatin) zu halten . ^{[ 21 ]} Histonacetylierung ist beispielsweise typischerweise mit der Euchromatin-Struktur assoziiert, während Histonmethylierung die Heterochromatin-Remodellierung fördert. ^{[ 22 ]} Durch Acetylierung wird die Histongruppe negativer geladen, was wiederum ihre Wechselwirkungen mit dem DNA-Strang stört und diesen somit für einen leichteren Zugang „öffnet“. ^{[ 21 ]} Acetylierung kann an mehreren Lysinresten des N-terminalen Endes eines Histons und an verschiedenen Histonen desselben Nukleosoms erfolgen , was die DNA-Zugänglichkeit für Transkriptionsfaktoren weiter erhöht . ^{[ 21 ]}

Die Phosphorylierung von Histonen ist ein weiterer Mechanismus zur Regulation des Euchromatins. ^{[ 21 ]} Sie findet vorwiegend an den N-terminalen Enden der Histone statt, jedoch sind auch Stellen im Kernbereich vorhanden. ^{[ 21 ]} Die Phosphorylierung wird durch Kinasen und Phosphatasen gesteuert , die Phosphatgruppen anfügen bzw. entfernen. Dies kann an Serin- , Threonin- oder Tyrosinresten im Euchromatin erfolgen. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Da die hinzugefügten Phosphatgruppen eine negative Ladung in die Histonstruktur einbringen, fördern sie – ähnlich wie die Acetylierung – die entspanntere, „offene“ Konformation. ^{[ 22 ]} Hinsichtlich der Funktion ist die Histonphosphorylierung an der Genexpression, der DNA-Reparatur und dem Chromatin-Remodeling beteiligt . ^{[ 22 ]}

Eine weitere Regulationsmethode, die eine negative Ladung einführt und dadurch die „offene“ Form begünstigt, ist die ADP-Ribosylierung . ^{[ 22 ]} Bei diesem Prozess wird dem Histon eine oder mehrere ADP-Ribose- Einheiten hinzugefügt; er ist am DNA-Schadensantwortweg beteiligt . ^{[ 22 ]}

• Histonmodifizierende Enzyme
• Konstitutives Heterochromatin