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{{Infobox GO-Terminus
| Typ = C
| GO = 0000786
| Eltern = [[Chromosom]]
| Kinder = [[DNA]]<br />[[Histon]]e
}}
[[Datei:Nucleosome-2PYO.png|mini|hochkant=1.5|Struktur eines ''Nucleosome Core Particles'' der Fruchtfliege: Die [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] (grau mit farbigen [[Nukleobasen]]) ist um den Kern aus acht [[Histon]]-Untereinheiten (bordeauxrot) gewickelt]][[Datei:Nucleosome organization.png|alternativtext=Histonoktamer dargestellt als 8 aneinanderliegende Bälle. Diese bilden mit 2 parallelen Windungen DNA umwickelt das Nukleosomengrundpartikel. Wie zum Verschließen des Histon-DNA-Pakets liegt das Histon H1 auf den DNA-Abschnitten, die in Linker-DNA übergehen.|mini|Schema eines vollständigen Nukleosoms]]

'''Nukleosomen''' bilden einen Komplex aus [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] und [[Histon]]en. Dies ist die erste Verpackungsstufe der DNA im [[Zellkern]] [[Eukaryoten|eukaryotischer]] [[Zelle (Biologie)|Zellen]]; Vorstufen finden sich auch bei [[Archaeen]]. Als mögliche Anordnung der Nukleosomenpakete, welche die DNA im [[Chromatin]] als 30 nm dicke Faser zusammenhalten, wird die [[Solenoidstruktur]] vorgeschlagen.

== Aufbau und Struktur ==
Chromatin besteht aus DNA, Histonen und Nicht-Histon-Proteinen. Im entfalteten Zustand, der „10-nm-Faser“, sieht das Chromatin aus wie eine Perlenkette. Diese hat etwa ein Drittel der Länge des enthaltenen DNA-Strangs.<ref name=":1" details="S. 204">{{Literatur |Autor=Bruce Alberts, Karen Hopkin, Alexander D. Johnson, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter |Titel=Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie |Auflage=Fünfte Auflage |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Datum=2021 |ISBN=978-3-527-34779-7 |Abruf=2025-11-20}}</ref> Die grundlegende Struktureinheit der Chromatinfaser bezeichnet man als Nukleosom. Sie besteht aus DNA und Histonen und wiederholt sich etwa alle 160 bis 240 [[Basenpaar]]e DNA.<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Robert K. McGinty, Song Tan |Titel=Nucleosome Structure and Function |Sammelwerk=Chemical Reviews |Band=115 |Nummer=6 |Datum=2015-03-25 |DOI=10.1021/cr500373h |PMC=4378457 |PMID=25495456 |Seiten=2255}}</ref>

Durch Verdau des Chromatins mit [[MNase]] ([[Endonuklease]], die freie DNA verdaut) erhält man Histonoktamere, um die ein Stück DNA gewunden ist sowie andere DNA bindende Proteine und deren gebundene DNA-Fragmente.<ref>{{Internetquelle |autor=Kristin Brogaard, Liqun Xi, Ji-Ping Wang & Jonathan Widom |url=https://www.nature.com/articles/nature11142 |titel=A map of nucleosome positions in yeast at base-pair resolution |hrsg=Nature |datum=2012 |zugriff=2018-06-24 |sprache=en}}</ref> Diese Einheit wird als ''Nucleosome Core Particle'' (NCP) oder Nukleosomen-Grundpartikel bezeichnet<ref>{{Internetquelle |url=https://www.spektrum.de/lexikon/biologie/core-particle/15296 |titel=core particle |werk=Lexikon der Biologie |hrsg=Spektrum |sprache=de |abruf=2025-10-18}}</ref> und ist in jedem Nukleosom enthalten. Das Oktamer besteht aus je zwei Exemplaren der Proteine [[Histon H2A|H2A]], [[Histon H2B|H2B]], [[Histon H3|H3]] und [[Histon H4|H4]]. Um so einen Proteinkomplex sind in 1,65 Windungen 147 Basenpaare der DNA als linksgängige Superhelix gewunden. Damit bildet das NCP einen Zylinder von ungefähr 10 nm Durchmesser und 2,5–6 nm Höhe.<ref name=":0" details="S. 2259" />

Im [[Chromatin]] sind die einzelnen Nukleosomen-Grundpartikel durch unterschiedlich lange DNA-Linker miteinander verbunden. Die DNA-Linker, die zwischen 160 Basenpaaren in Hefe und 200 Basenpaaren in höheren Organismen umfassen können, (beim Menschen sind es 50–60 Basenpaare) werden durch ein weiteres Histon, [[Histon H1|H1]], besetzt, welches am Aufbau nächsthöherer Strukturen beteiligt ist. Zusammen mit [[Histon H1]] bezeichnet man das NCP als [[Chromatosom]]. Histon H1 erwirkt eine Kondensation der einzelnen Nukleosome, die in einer in einer kompakteren Organisation des Chromatins resultiert, welche zumindest ''[[in vitro]]'' als 30-nm Faser identifiziert werden konnte (erklärt z. B. im Solenoid-Modell). Die Kombination aus Chromatosom und Linker-DNA ist definiert als Nukleosom, wobei umgangssprachlich auch das NCP für sich genommen als Nukleosom bezeichnet wird.<ref name=":0" />

Die Komponenten des Nukleosomenkerns wurden in der Evolution hoch [[Konservierung|konserviert]] (nur zwei Aminosäurereste unterscheiden das Histon H4 des Rindes von jenem der Erbse), was die fundamentale Bedeutung dieser Einheit unterstreicht.<ref name=":1" details="S. 204">{{Literatur |Autor=Bruce Alberts, Karen Hopkin, Alexander D. Johnson, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter |Titel=Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie |Auflage=Fünfte Auflage |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Datum=2021 |ISBN=978-3-527-34779-7 |Abruf=2025-11-20}}</ref>

=== Dynamik ===
Die Position von Nukleosomen entlang des DNA-Strangs ist nach ihrer Entstehung nicht festgelegt. So geschieht ein kurzes Abwickeln der DNA von einem einzelnen Nukleosom etwa 10 mal pro Sekunde. Diese Dynamik wird dadurch beeinflusst,
* welche Histonvarianten [[Genexpression|exprimiert]] wurden,
* wie diese nach der Translation durch [[Enzym]]e modifiziert wurden,
* von physikalischen Eigenschaften der jeweiligen [[DNA-Sequenz]], wie zum Beispiel der Biegsamkeit,
* und der übergeordneten Struktur des Chromatins in Nähe des Nukleosoms.<ref>{{Literatur |Autor=Charlotte M. Delvaux de Fenffe, Jolijn Govers, Francesca Mattiroli |Titel=Always on the Move: Overview on Chromatin Dynamics within Nuclear Processes |Sammelwerk=Biochemistry |Band=64 |Nummer=10 |Datum=2025-05-20 |DOI=10.1021/acs.biochem.5c00114 |PMC=12096440 |PMID=40312022 |Seiten=2140}}</ref>

Die überwiegend [[Lysin]]- und [[Arginin]]-reichen und damit positiv geladenen [[N-Terminus|N-terminalen]] Enden der Histone (die „histone-tails“, übersetzt „Histonschwänze“) binden an das negativ geladene [[Backbone (Biochemie)#Nukleinsäuren|Rückgrat]] der DNA-Phosphatreste,<ref name=":0" details="S. 2259" /> wodurch die Zugänglichkeit für [[Transkriptionsfaktor]]en eingeschränkt wird. Diese Enden ragen aus dem NCP raus und sind den meisten [[Histonmodifikation]]en ausgesetzt. Zum Beispiel beseitigt die [[Acetylierung]] der Lysinreste durch [[Acetyltransferase]]n deren positive Ladung, wodurch deren Affinität zu benachbarten Nukleosomen reduziert wird. Das hat zur Folge, dass die zuvor verdeckte DNA zugänglich und ihre Information auslesbar werden.<ref name=":1" details="S. 207"/>

Dieses Modell, stark vereinfacht auf Ladungsveränderungen beruhend, ist mittlerweile zumindest umstritten. Neuere Forschungen zeigen, dass die modifizierten Motive durch verschiedene Proteine ausgelesen werden können, und dies zur [[Genregulation|Aktivierung oder Reprimierung]] betroffener Gene führt. Der Acetylierungsstatus selbst wird durch das Gleichgewicht der Histon-Acetyltransferasen (HATs) bzw. Histon-Deacetylasen (HDACs) bestimmt – werden letztere durch einen spezifische [[Inhibitor]]en wie [[Trichostatin A]] (TSA) oder [[Butyrat]] gehemmt, so dominieren die ersteren. Derartige Versuchsansätze haben zum experimentellen Nachweis dieses Sachverhaltes geführt.

== Entdeckung ==
Von [[Ada Olins|Ada]] und [[Donald Olins]] in [[elektronenmikroskop]]ischen Darstellungen gequollener [[Zellkern]]e entdeckt und 1973 erstmals auf dem „Third Annual Meeting of the American Society for Cell Biology“ als „ν-body“ (‚neues Partikel‘) vorgestellt, wurde die helikale Form ([[Solenoidstruktur]]) nahezu umgehend als elementare Verpackungseinheit der DNA im [[Chromatin]] akzeptiert.<ref>{{Literatur |Autor=A. L. Olins, M. B. Senior, D. E. Olins |Titel=Ultrastructural features of chromatin nu bodies |Sammelwerk=The Journal of Cell Biology |Band=68 |Nummer=3 |Datum=1976-03 |PMC=2109642 |PMID=1035912 |Seiten=787–793}}</ref>

1974 gelangen mehreren Teams, darunter jenem von [[Roger Kornberg]], Analysen, die den Aufbau dieser Partikel aus einem aus acht [[Histon]]en aufgebauten Komplex, einem verbindenden ''Linker''-Histon und etwa 160–200 [[Basenpaar]]en an DNA zeigten. 1975 wurde diese Einheit als ''Nukleosom'' eingeführt. 1974 gilt heute als Geburtsjahr der molekularen [[Epigenetik]].

Arbeiten zur Struktur der Nukleosomen wurden durch Aaron Klug (Nobelpreis 1982<ref>nobel.se: [http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1982/klug-autobio.html Aaron Klug - Autobiography]</ref> für [[Röntgenstrukturanalyse|Kristall-Strukturanalysen]] an Protein/Nucleinsäure-Komplexen) in London am Medical Research Council aufgenommen. Diese Arbeiten führten 1984 bei noch relativ geringer Auflösung zum ersten Strukturvorschlag.<ref>T. J. Richmond, J. T. Finch,B. Rushton, D. Rhodes, A. Klug: ''Structure of the nucleosome core particle at 7 Å resolution.'' In: ''[[Nature]].'' 311, 1984, S. 532–537, PMID 6482966.</ref><ref>M. M. Struck, A. Klug, T. J. Richmond: ''Comparison of X-ray structures of the nucleosome core particle in two different hydration states.'' In: ''J. Mol. Biol.'' 224, 1992, S. 253–264, PMID 1548703.</ref> Die Arbeiten werden seitdem systematisch durch [[Timothy Richmond]]<ref>{{Webarchiv |url=http://www.mol.biol.ethz.ch/groups/richmond |wayback=20040603201054 |text=Gruppe T. J. Richmond }}. Abgerufen am 4. April 2024.</ref>, der bereits in der Gruppe von Klug 1984 an dem ersten Strukturvorschlag beteiligt war, am Institute for Molecular Biology & Biophysics der [[ETH Zürich]] vorangetrieben.
1997 publizierte die Arbeitsgruppe von Richmond eine Struktur des Nukleosoms mit einer Auflösung von 2,8 Å<ref name="Luger">[[Karolin Luger]], Armin W. Mäder, Robin K. Richmond, David F. Sargent, Timothy J. Richmond: ''Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution.'' In: ''Nature.'' 389, Nr. 6648, 1997, S. 251–260, [[doi:10.1038/38444]].</ref> und 2002 folgte die Publikation der Struktur mit einer Auflösung von 1,9 Å.<ref>C. A. Davey CA, Sargent, [[Karolin Luger|K. Luger]], A. W. Maeder, T. J. Richmond: ''Solvent mediated interactions in the structure of the nucleosome core particle at 1.9 Å resolution.'' In: ''J. Mol. Biol.'' 319, Nr. 5, 2002, S. 1097–1113, PMID 12079350.</ref><ref>T. J. Richmond, C. A. Davey: ''The structure of DNA in the nucleosome core''. In: ''Nature.'' 423, 2003, S. 145–150, PMID 12736678.</ref>

Im Jahr 2005 publizierte die Arbeitsgruppe von Richmond eine Röntgen-Kristallstruktur des Tetranukleosoms.<ref>T. Schalch, S. Duda, D. F. Sargent, T. J. Richmond: ''X-ray structure of a tetranucleosome and its implications for the chromatin fibre.'' In: ''Nature.'' 436, Nr. 7047, 2005, S. 138–141, PMID 16001076.</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* C. P. Prior, C. R. Cantor, E. M. Johnson, V. C. Littau, V. G. Allfrey: ''Reversible changes in nucleosome structure and histone H3 accessibility in transcriptionally active and inactive states of rDNA chromatin.'' In: ''[[Cell (Zeitschrift)|Cell]].'' 34, 1983, S. 1033–1042.
* J. Gòmez-Lira M. M. Bode, H. Schröter: ''Nucleosomal particles open as the histone core becomes hyperacetylated.'' In: ''[[Eur. J. Biochem.]]'' 130, 1983, S. 437–445.
* B. D. Strahl, [[Charles David Allis|C. D. Allis]]: ''The language of covalent histone modifications.'' In: ''[[Nature]].'' 403, Nr. 6765, 2000, S. 41–45.
* V. B. Teif, K. Rippe: [http://nar.oxfordjournals.org/content/37/17/5641 ''Predicting nucleosome positions on the DNA: combining intrinsic affinities and remodeler activities'']. In ''[[Nucleic Acids Res.]]'' 37, 2009, S. 5641–5655, [[doi:10.1093/nar/gkp610]].

== Weblinks ==
* [http://molsim.org/en/scripts/visual_ncp Nucleosome core particle high quality visualization]
* Proteopedia: [http://proteopedia.org/wiki/index.php/Nucleosomes Nucleosomes]
* [http://www.generegulation.info/index.php?option=com_content&view=article&id=29&Itemid=63 Nukleosom Positionierung. Daten und Werkzeuge. Ständig aktualisiert.]

[[Kategorie:Zellbiologie]]
[[Kategorie:Chromatin]]
[[Kategorie:Epigenetik]]

Nukleosom - Versionsgeschichte

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