Nucleosome là gì? Cấu trúc, chức năng và vai trò trong nghiên cứu sinh học phân tử

Bên trong nhân của mỗi tế bào sống, lượng vật chất di truyền khổng lồ luôn cần được sắp xếp gọn gàng, có trật tự, để vừa tiết kiệm không gian vừa sẵn sàng được đọc bất cứ khi nào tế bào cần. Đứng sau khả năng tổ chức tinh vi ấy chính là nucleosome, một cấu trúc tuy nhỏ bé nhưng đóng vai trò nền tảng trong toàn bộ kiến trúc của bộ gen. Vậy chính xác nucleosome là gì và tại sao chúng lại quan trọng đến vậy? Hãy cùng Mescells tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

1. Nucleosome là gì?

Nucleosome là đơn vị lặp lại cơ bản của chromatin được đóng gói bên trong nhân tế bào. Một nucleosome đơn lẻ bao gồm khoảng 150 cặp bazơ của trình tự ADN quấn quanh lõi protein histone. Trong quá trình hình thành nhiễm sắc thể, các nucleosome liên tục gấp lại trên chính chúng để thắt chặt và cô đặc ADN đã được đóng gói [1].

Tìm hiểu nucleosome là gì qua cấu trúc phân tử của chúng

2. Cấu trúc của nucleosome

Để hiểu hơn về khái niệm nucleosome là gì, cần nhìn sâu vào cấu trúc phân tử quyết định chức năng của chúng. Cấu trúc này gồm 2 thành phần chính là lõi octamer histone và đoạn ADN quấn xung quanh.

2.1. Octamer histone

Octamer histone là phức hợp gồm 8 phân tử protein histone: hai bản sao của mỗi loại H2A, H2B, H3 và H4. Các phân tử này lắp ráp theo trình tự có tính đối xứng cao. Octamer được hình thành khi một tetramer chứa hai bản sao của H3 và hai bản sao của H4, kết hợp với hai dimer H2A/H2B. Mỗi histone đều có đuôi N-terminal và nếp gấp histone C-terminal. Mỗi thành phần quan trọng này tương tác với ADN theo cách riêng thông qua một loạt các tương tác yếu. Những tương tác này giữ cho ADN và octamer histone liên kết lỏng lẻo và cuối cùng cho phép cả hai định vị lại hoặc tách rời hoàn toàn [2], [3].

2.2. ADN quấn quanh octamer

Một đoạn ADN dài khoảng 145-147 cặp base (bp) quấn quanh octamer histone theo khoảng 1,7 vòng xoắn siêu cấp [2]. Toàn bộ cấu trúc nucleosome tạo thành một hình trụ đường kính khoảng 11 nm, chiều cao khoảng 5,5 nm [1]. Lực giữ ADN bám chặt vào octamer chủ yếu đến từ tương tác tĩnh điện giữa nhóm phosphate mang điện âm trên khung ADN với các amino acid mang điện dương của histone, cùng các liên kết hydro và tương tác cục bộ giữa protein với base ADN.

Giữa hai nucleosome liền kề là một đoạn ADN không quấn quanh histone, gọi là ADN liên kết (linker DNA), dài 10-80 bp tùy loài và loại mô [2], thường được mô tả như sợi dây trong cấu trúc chuỗi hạt.

Cấu trúc của nucleosome 

3. Nucleosome được hình thành và tổ chức như thế nào?

Phần lớn nucleosome mới được tổng hợp trong pha S của chu kỳ tế bào, song song với quá trình sao chép ADN. Khi bộ máy sao chép di chuyển dọc theo mạch ADN làm khuôn, các nucleosome cũ ở phía trước phải được tháo rời tạm thời để enzyme polymerase tiếp cận ADN. Sau đó, nucleosome mới được lắp ráp trở lại ngay phía sau chạc sao chép [4], [5].

Quá trình này diễn ra theo hai bước nối tiếp nhau. Đầu tiên, một loại protein hỗ trợ chuyên biệt gọi là CAF-1 sẽ “bám” theo ngay sau bộ máy sao chép ADN (nhờ gắn vào một protein khác tên là PCNA, vốn di chuyển cùng bộ máy này), rồi đưa hai cặp histone H3-H4 vào đúng vị trí trên sợi ADN mới để tạo thành một khối bốn tiểu đơn vị ban đầu. Ngay sau đó, hai cặp histone H2A-H2B khác được bổ sung vào hai bên khối bốn tiểu đơn vị này, hoàn tất thành khối tám tiểu đơn vị đầy đủ tương đương một nucleosome hoàn chỉnh. Toàn bộ quá trình lắp ráp này cần năng lượng và sự hỗ trợ của nhiều loại protein chuyên biệt khác để đảm bảo nucleosome được đặt đúng vị trí trên bộ gen.

Sau khi hình thành, các nucleosome không đứng riêng lẻ mà nối tiếp nhau như một chuỗi hạt, tạo thành sợi chromatin có đường kính khoảng 11 nanomet. Sợi chromatin này tiếp tục cuộn xoắn chặt hơn thành một sợi lớn hơn, đường kính khoảng 30 nanomet, trước khi cuộn xoắn nhiều lần nữa để cuối cùng tạo thành nhiễm sắc thể có kích thước có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi khi tế bào phân chia [6], [7]. Tuy nhiên, các nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chụp ảnh hiện đại trên tế bào sống gần đây chưa xác nhận được sự tồn tại phổ biến của sợi 30 nm này trong điều kiện tự nhiên, khiến mô hình cuộn xoắn cấp cao này vẫn còn là chủ đề tranh luận trong giới nghiên cứu.

>>> Đọc thêm: Phân chia tế bào xảy ra như thế nào? Vai trò trong y học tái tạo

Mô tả quá trình hình thành và tổ chức của nucleosome 

4. Chức năng của nucleosome

Chức năng chính của nucleosome là đóng gói các chuỗi ADN bộ gen dài thành một cấu trúc nhỏ gọn, có trật tự để có thể nằm gọn bên trong nhân tế bào, chi tiết như sau [2][8]:

• Nén bộ gen: Tạo ra mức độ gấp nếp đầu tiên của ADN, làm giảm chiều dài tuyến tính của ADN khoảng 6 đến 7 lần để nó vừa vặn bên trong nhân tế bào hiển vi.
• Điều hòa gen: Hoạt động như một rào cản vật lý hạn chế sự tiếp cận của các yếu tố phiên mã và RNA polymerase với ADN, đóng vai trò là chất ức chế phiên mã nói chung.
• Trung tâm truyền tín hiệu: Thể hiện các biến đổi sau dịch mã (như acetyl hóa và methyl hóa) trên đuôi histone của nó, hoạt động như một mã di truyền để thu hút các enzyme điều hòa và định hướng hoạt động của chromatin.
• Bảo vệ ADN: Che chắn mã di truyền dễ bị tổn thương khỏi các tác nhân vật lý, enzyme phân giải nuclease và các chất hóa học độc hại.
• Khả năng tiếp cận bộ máy tế bào: Duy trì tính linh hoạt để mở ra, trượt hoặc tháo rời tạm thời trong các quá trình quan trọng như sao chép, sửa chữa và phiên mã ADN.

>>> Tìm hiểu thêm: Phiên mã là gì? Quá trình chuyển thể từ ADN sang ARN

Chức năng chính của nucleosome là đóng gói các chuỗi ADN bộ gen dài thành một cấu trúc nhỏ gọn

5. Vai trò của nucleosome trong nghiên cứu sinh học phân tử

Vì nằm ở giao điểm giữa cấu trúc bộ gen và điều hòa chức năng gen, nucleosome trở thành đối tượng nghiên cứu trung tâm của nhiều lĩnh vực sinh học phân tử hiện đại.

5.1. Trong sinh học cấu trúc

Tinh thể học tia X và đặc biệt là kính hiển vi điện tử lạnh (cryo-electron microscopy – cryo-EM) đã cho phép giải mã cấu trúc nguyên tử của nucleosome khi phức hợp với hàng loạt protein đối tác, từ yếu tố phiên mã tiên phong (pioneer transcription factor) như OCT4, SOX2 đến các enzyme biến đổi chromatin. Phương pháp SeEN-seq (Selected Engagement on Nucleosome sequencing) kết hợp cryo-EM gần đây đã giúp lập bản đồ chi tiết vị trí gắn của các yếu tố phiên mã trên bề mặt nucleosome ở độ phân giải từng cặp base [9].

Vì cấu trúc đặc biệt và khả năng điều hòa gen nên nucleosome trở thành đối tượng nghiên cứu trung tâm của nhiều lĩnh vực sinh học phân tử hiện đại 

5.2. Trong bộ gen học chức năng (functional genomics)

Trong lĩnh vực này, việc xác định vị trí nucleosome trên toàn bộ gen là bước quan trọng để hiểu cơ chế điều hòa biểu hiện gen. Hai kỹ thuật phổ biến nhất hiện nay gồm:

• MNase-seq: sử dụng enzyme micrococcal nuclease để cắt chọn lọc đoạn ADN liên kết nằm giữa các nucleosome, chỉ để lại đoạn ADN được nucleosome bảo vệ, sau đó giải trình tự thế hệ mới để lập bản đồ vị trí nucleosome trên toàn bộ gen [10], [11].
• ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin): sử dụng transposase Tn5 để cắt và gắn mồi vào những vùng ADN “mở”, không bị nucleosome hay protein khác che chắn, từ đó suy ra vùng chromatin có khả năng tiếp cận cao [12].

Hai phương pháp này, cùng với ChIP-seq (xác định vị trí gắn của histone mang biến đổi đặc hiệu hoặc protein điều hòa), đã trở thành công cụ tiêu chuẩn trong nghiên cứu biểu sinh học, cho phép các nhà khoa học so sánh cấu trúc chromatin giữa các loại tế bào, các giai đoạn phát triển, hoặc giữa mô bình thường và mô bệnh lý [10].

>>> Xem thêm: Giải trình tự gen: Chìa khóa giải mã bản đồ sự sống và tương lai của y học cá thể hóa

Xác định vị trí nucleosome trên toàn bộ gen là bước quan trọng để hiểu cơ chế điều hòa biểu hiện gen 

5.3. Trong y sinh học và bệnh học phân tử

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng rối loạn trong lắp ráp hoặc định vị nucleosome có liên quan trực tiếp đến bệnh lý ở người. Đột biến ở các tiểu đơn vị của phức hợp tái cấu trúc chất nhiễm sắc nBAF (một biến thể của phức hợp SWI/SNF chuyên biệt cho tế bào thần kinh) được ghi nhận trong hội chứng Coffin-Siris, hội chứng Nicolaides-Baraitser, tâm thần phân liệt và rối loạn phổ tự kỷ [13]. Bên cạnh đó, các chaperone histone như CAF-1 cũng được chứng minh có vai trò duy trì ổn định bộ gen, và rối loạn chức năng của chúng liên quan đến các quá trình gây bất ổn hệ gen tương tự những gì quan sát thấy trong một số bệnh ung thư.

5.4. Trong công nghệ sinh học

Hiểu biết về cách nucleosome tương tác với ADN đã mở đường cho các công cụ chỉnh sửa biểu sinh có định hướng, ví dụ như các protein tái cấu trúc chất nhiễm sắc được thiết kế (Engineered Chromatin Remodeling Proteins – E-ChRPs), có khả năng định vị lại nucleosome tại các vị trí gen mục tiêu để bật hoặc tắt biểu hiện gen theo ý muốn, mở ra tiềm năng ứng dụng trong nghiên cứu chức năng gen và liệu pháp gen [14].

Rối loạn trong lắp ráp hoặc định vị nucleosome gây đột biến gen và biểu hiện nên các bệnh lý nghiêm trọng 

6. Thách thức còn tồn tại trong nghiên cứu và ứng dụng nucleosome

Dù đã đạt nhiều tiến bộ quan trọng, nghiên cứu về nucleosome vẫn đối mặt với không ít giới hạn kỹ thuật và khoảng trống tri thức.

6.1. Độ phân giải và tính động

Cấu trúc tinh thể học cho hình ảnh tĩnh, độ phân giải cao, nhưng trong tế bào sống nucleosome liên tục dao động, trượt và tháo lắp một phần theo thời gian thực. Việc nắm bắt các trạng thái động này vẫn là một thách thức không nhỏ ngay cả với các công cụ mô phỏng động lực phân tử hiện đại. Ngay cả các kỹ thuật cấu trúc hiện đại như cryo-EM cũng đòi hỏi đầu tư lớn về thiết bị và hạ tầng tính toán, cùng quy trình chuẩn bị mẫu phức tạp, khiến việc tiếp cận công nghệ này chưa đồng đều giữa các phòng thí nghiệm [15].

6.2. Nhiễu tín hiệu và độ phân giải trong dữ liệu giải trình tự

Dữ liệu MNase-seq và ATAC-seq thường có nền nhiễu cao hơn nhiều so với dữ liệu ChIP-seq thông thường, khiến các thuật toán xác định đỉnh tín hiệu tiêu chuẩn không phù hợp và đòi hỏi phương pháp thống kê chuyên biệt để sàng và tách nucleosome. Ở cấp độ đơn tế bào, tín hiệu càng thưa và nhiễu hơn, gây khó khăn cho việc lập bản đồ nucleosome chính xác trên từng tế bào riêng lẻ.

>>> Tìm hiểu thêm: Tín hiệu tế bào là gì?

Nhiễu tín hiệu và độ phân giải trong dữ liệu giải trình tự là một thách thức không nhỏ khi nghiên cứu và ứng dụng nucleosome 

6.3. Liên kết cấu trúc với chức năng ở quy mô hệ thống

Dù đã xác định được nhiều phức hợp tái cấu trúc chất nhiễm sắc và chaperone histone riêng lẻ, việc hiểu cách các nhân tố này phối hợp trong không gian và thời gian, tại đúng vị trí gen cần thiết, vẫn còn nhiều khoảng trống, đặc biệt trong bối cảnh bệnh lý phức tạp như ung thư hay rối loạn phát triển thần kinh, nơi nhiều đột biến ở các gen mã hóa nhân tố chromatin cùng tồn tại.

6.4. Chuyển giao ứng dụng lâm sàng

Mặc dù các công cụ như E-ChRPs cho thấy tiềm năng định vị lại nucleosome có chủ đích, việc đưa các công cụ này vào ứng dụng điều trị thực tế còn đòi hỏi giải quyết nhiều vấn đề về tính đặc hiệu, hiệu quả truyền dẫn vào tế bào đích và an toàn sinh học dài hạn. Đây vốn là những rào cản chung của liệu pháp gen và liệu pháp biểu sinh nói chung [14].

Việc ứng dụng các công cụ nghiên cứu nucleosome vào điều trị thực tế còn khá nhiều rào cản và thách thức nhất là vấn đề an toàn sinh học lâu dài 

Rõ ràng, trả lời cho câu hỏi nucleosome là gì không chỉ dừng lại ở một định nghĩa cấu trúc, mà còn mở ra cả một hệ thống cơ chế điều hòa phức tạp, chi phối gần như mọi hoạt động liên quan đến ADN trong tế bào sinh vật nhân thực. Với vai trò đa dạng trong nghiên cứu nhiều lĩnh vực, nucleosome xứng đáng được xem là một trong những cấu trúc phân tử quan trọng bậc nhất của sinh học hiện đại. Hy vọng trong tương lai không xa, các nghiên cứu về cryo-EM, các kỹ thuật giải trình tự chromatin và công nghệ tái cấu trúc chromatin sẽ tiếp tục được mở rộng, từ đó gợi mở nhiều hướng ứng dụng tiềm năng của nucleosome trong y sinh học và công nghệ sinh học hơn nữa.

HỆ THỐNG Y TẾ CHUYÊN SÂU Y HỌC TÁI TẠO VÀ TRỊ LIỆU TẾ BÀO MESCELLS | MSC

• Hotline: 0866 022 097
• Địa chỉ: TT21, số 204 Nguyễn Tuân, phường Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam.
• Fanpage: Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Tế Bào Mescells

NGUỒN THAM KHẢO:

• “​Nucleosome”, NHGRI, https://www.genome.gov/genetics-glossary/Nucleosome
• “Nucleosome”, Science Direct, https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/nucleosome
• https://en.wikipedia.org/wiki/Histone_octamer
• Ian Hall, 2026, “CAF-1 in Replication and Repair: A Critical Genetic Mediator of Synthesis-Coupled Nucleosome Assembly”, MDPI, https://doi.org/10.3390/biom16091277
• Liang Cheng, 2019, “CAF-1 Facilitates the Establishment of Facultative Heterochromatin During Pluripotency Exit”, Nucleic Acids Research, https://academic.oup.com/nar/article/47/21/11114/5581733
• Kuo Zhang, 2016, “A DNA binding winged helix domain in CAF-1 functions with PCNA to stabilize CAF-1 at replication forks”, Nucleic Acids Research, https://academic.oup.com/nar/article/44/11/5083/2468260?login=false
• Paul V Sauer, 2018, “Mechanistic insights into histone deposition and nucleosome assembly by the chromatin assembly factor-1”, Nucleic Acids Research, https://academic.oup.com/nar/article/46/19/9907/5099446?login=false
• Roger D. Kornberg, 2020, “Primary Role of the Nucleosome”, Molecular cell, https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(20)30511-6
• Wataru Kobayashi, 2026, “Protocol for integrative analysis of transcription factor-nucleosome interactions using SeEN-seq and cryo-EM structure determination”, Science Direct, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666166725007014
• Milena Bikova, 2026, “Nucleosome Spacing Across Cell Types, Diseases, and Ages”, Nucleic Acids Research, https://academic.oup.com/nar/article/54/5/gkag074/8506906
• Diana Buitrago, 2019, “Nucleosome Dynamics: A New Tool for the Dynamic Analysis of Nucleosome Positioning”, PMC, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6765203
• Bingxiang Xu, “Decoding Nucleosome Positions with ATAC-seq Data at Single-Cell Level”, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.02.07.430096.full.pdf
• Godwin Sokpor, 2017, “Chromatin Remodeling BAF (SWI/SNF) Complexes in Neural Development and Disorders”, PubMed, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28824374/
• Donovan DA, 2019, “E-ChRPs: Engineered Chromatin Remodeling Proteins for Precise Nucleosome Positioning”,  bioRxiv, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/480913.full.pdf
• “Breaking Barriers: Transitioning from X-ray Crystallography to Cryo-EM for Structural Studies, bioRxiv, https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.10.13.682238.full.pdf