Sự liên kết giữa ADN và protein histôn đóng vai trò then chốt trong việc hình thành và duy trì cấu trúc nhiễm sắc thể. Cấu trúc này không chỉ giúp ADN được đóng gói một cách hiệu quả trong nhân tế bào mà còn ảnh hưởng sâu sắc đến các quá trình sinh học quan trọng như phiên mã, tái bản và sửa chữa ADN.
ADN, với chiều dài đáng kinh ngạc, cần được tổ chức một cách trật tự để vừa có thể “nhét” vừa vặn vào không gian nhỏ bé của nhân tế bào, vừa phải đảm bảo khả năng tiếp cận để thực hiện các chức năng di truyền. Histôn, một loại protein kiềm tính, đảm nhận vai trò “cuộn” và “gói” ADN.
Tám phân tử histôn kết hợp với nhau tạo thành một phức hệ gọi là nucleosome. ADN quấn quanh nucleosome khoảng 1.65 vòng, tạo thành cấu trúc sợi nhiễm sắc 10nm. Cấu trúc này tiếp tục cuộn xoắn để tạo thành sợi nhiễm sắc 30nm, với sự tham gia của histôn H1.
Sự cuộn xoắn tiếp tục diễn ra, tạo thành các cấu trúc bậc cao hơn như các vòng (loops) và cuối cùng là nhiễm sắc thể. Mức độ cuộn xoắn này có thể thay đổi tùy thuộc vào trạng thái hoạt động của tế bào.
Sự liên kết giữa ADN và histôn không chỉ đơn thuần là đóng gói. Nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng biểu hiện gen. Khi ADN được cuộn chặt quanh histôn, các enzyme và protein cần thiết cho quá trình phiên mã khó tiếp cận, dẫn đến sự ức chế biểu hiện gen. Ngược lại, khi cấu trúc nhiễm sắc thể được “nới lỏng”, ADN trở nên dễ tiếp cận hơn, tạo điều kiện cho quá trình phiên mã diễn ra.
Các sửa đổi hóa học trên histôn, như acetyl hóa và methyl hóa, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cấu trúc nhiễm sắc thể và biểu hiện gen. Acetyl hóa thường làm “nới lỏng” cấu trúc, tăng cường phiên mã, trong khi methyl hóa có thể gây ra cả ức chế và kích hoạt phiên mã tùy thuộc vào vị trí và loại nhóm methyl được gắn vào.
Sự tương tác phức tạp giữa ADN và histôn, cùng với các sửa đổi hóa học, tạo nên một hệ thống điều khiển biểu hiện gen tinh vi, đảm bảo rằng các gen được bật hoặc tắt đúng thời điểm và ở đúng nơi trong tế bào. Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế này có ý nghĩa to lớn trong nghiên cứu và điều trị các bệnh liên quan đến rối loạn biểu hiện gen, như ung thư và các bệnh di truyền.