Хистон

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Шематски приказ на агрегацијата на основните хистони во нуклеозомот.

Во биологијата, хистоните се многу алкални белковини кои се наоѓаат во eукариотските клеточни јадра и служат за пакување на ДНК молекулите во структурни единици наречени нуклеозоми.[1][2] Тие се главната белковинска компонента на хроматинот и играат важна улога во регулацијата на експресијата на гените. Без хистоните, релаксираната хромозомска ДНК би била многу долга (односот помеѓу должината и ширината кај човечката ДНК е повеќе од 10 милиони спрема 1). На пример, секоја човечка диплоидна клетка (содржи 23 пара на хромозоми) има количина на ДНК која вкупно има должина од околу 1,8 метри; меѓутоа кога е намотана околу хистонските молекули во форма на хроматин нејзината должина опаѓа на околу 90 микрометри (0.09 mm). Во текот на митозата, кога генетскиот материјал е дуплиран, вкупната должина на хромозомите кај диплоидните келтки изнесува само околу 120 микрометри.[3]

Основен хистон H2A/H2B/H3/H4
Protein H2AFJ PDB 1aoi.png
Приказ на комплекс помеѓу централната честичка на нуклеозомот (h3,h4,h2a,h2b) и 146 бп долг фрагмент на ДНК. Од PDB.
Назнаки
СимболХистон
PfamPF00125
Pfam-кланCL0012
InterProIPR007125
SCOP1hio
SUPERFAMILY1hio
H1 и H5 фамилија на линкер хистони
PBB Protein HIST1H1B image.jpg
Приказ на структурата на HIST1H1B. Од PDB.
Назнаки
СимболLinker_histone
PfamPF00538
InterProIPR005818
SMARTSM00526
SCOP1hst
SUPERFAMILY1hst

Класи и варијанти[уреди | уреди извор]

Постојат пет главни хистонски фамилии: H1/H5, H2A, H2B, H3, и H4.[2][4][5][6] Хистоните H2A, H2B, H3 и H4 се познати како основни хистони, додека хистоните H1/H5 се познати како поврзувачки (линкер) хистони.

Сите основни хистони постојат како димери, а се слични меѓусебе по тоа што сите го поседуваат истиот белковински домен: три алфа хеликса поврзани со две петелки. Токму оваа хеликсна структура овозможува интеракција помеѓу различните димери, особено по шемата „глава со опаш“ (исто така наречен мотив на ракување).[7] Резултирачките четири различни димери потоа се поврзуваат за да формираат едно октамерно нуклеозомско јадро, кое е околу 63 Ангстреми во дијаметар. Околу 146 базни парови (бп) на ДНК се намотуваат околу ваквата основна нуклеозомска честичка, 1.65 пати во облик на левогира, суперхеликсна структура, за да на крај се добие честичка со дијаметар од околу 100 Ангстреми.[8] Линкер хистонот H1 се врзува на местото каде се наоѓаат влезната и излезната точка на ДНК молекулата, на тој начин фиксирајќи ја во место[9] и овозможувајќи формирање на структури од повисок ред. Најосновната таква структура е „влакно“ од 10 nm, кое личи на конец со нанижени бисерчиња, а е изградено од два нукеозома одделени со околу 50 базни парови на слободна ДНК (исто така позната како линкер ДНК). Структури од повисок ред ги вклучуваат влакната од 30 nm (кои формираат неправилна цик-цак форма) и влакната од 100 nm кои најчесто се среќаваат во нормалните клетки. За време на митозата и мејозата, кондензираните хромозоми се агрегираат преку интеракции помеѓу нуклеозомите и другите регулаторни протеини.

Хистоните се поделени на канонски репликационо-зависни хистони, чија експресија се одвива за време на S-фазата на клеточниот циклус, и репликационо-независни хистонски варијанти, чија експресија се одвива во текот на целиот клеточен циклус. Кај животинските организми, гените кои кодираат за канонските хистони обично се групирани заедно по должината на хромозомот, немаат интрони и нивните иРНК не подлежат на полиаденилација. Гените кои кодираат за хистонски варијанти обично не се групираат заедно, имаат интрони и нивните иРНК подлежат на полиаденилација. Комплексните повеќеклеточни организми обично поседуваат поголем број на хистонски варијанти што дава поголема разновидност на функциите. Хистонските варијанти од различни видови на организми, нивната класификација и нивните специфични карактеристики може да се најдат во базата на податоци "HistoneDB 2.0 - Варијанти".

Ова е листа на човечки хистонски протеини:

Суперфамилија Фамилија Подфамилија Членови
Линкер H1 H1F H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX
H1H1 HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T
Основни H2A H2AF H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ
H2A1 HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM
H2A2 HIST2H2AA3, HIST2H2AC
H2B H2BF H2BFM, H2BFS, H2BFWT
H2B1 HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H2BM, HIST1H2BN, HIST1H2BO
H2B2 HIST2H2BE
H3 H3A1 HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J
H3A2 HIST2H3C
H3A3 HIST3H3
H4 H41 HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L
H44 HIST4H4

Структура[уреди | уреди извор]

Јадрото на нуклеозомот е изградено од два H2A-H2B димера и еден H3-H4 тетрамер, со што се формираат две речиси симетрични половини (C2 симетричност; едната макромолекула е како слика во огледало во однос на другата).[8] H2A-H2B димерите и H3-H4 тетрамерот, исто така, покажуваат псевдодијадна симетричност. Овие четири „основни“ хистони (H2A, H2B, H3 и H4) се релативно слични во структура и се високо сочувани во текот на еволуцијата, а сите поседуваат хеликс-свијок-хеликс-свијок-хеликс мотив (ДНК-врзувачки протеински мотив кој препознава специфични ДНК секвенци). Тие, исто така, ја споделуваат карактеристиката да поседуваат долги петелки (опашки) на едниот крај од терцијарната структура, која претставува локација на посттранслационите модификации (види подолу).[10]

Архејските хистони поседуваат само една структура која е слична на H3-H4 димер, а е изградена од истиот протеин. Овие димерни структури се насложуваат во една голема суперхеликсна структура (супернуклеозом) на која се навива ДНК молекулата, на сличен начин како кај нуклеозомите.[11] Само некои архејски хистони поседуваат опашки.[12]

Хистоните градат пет вида на интеракции со ДНК:

  • Хеликсните диполи од алфа хеликсите во H2B, H3 и H4 овозможуваат да се акумулира нето позитивен полнеж во точките на интеракција со негативно наелектризираните фосфатни групи на ДНК.
  • Водородни врски помеѓу aмидните групи од полипептидниот синџир на хистонот и пентозо-фосфатниот синџир на ДНК.
  • Неполарни интеракции помеѓу хистонот и деоксирибозата на ДНК.
  • Солени мостови и водородни врски помеѓу страничните ланци на базните аминокиселини (особено лизинот и аргининот) и фосфатните кислороди на ДНК.
  • Неспецифични инсерции на N-терминалните опашки на H3 и H2B молекулите во двата мали жлеба на ДНК молекулата.

Исклучително базната природа на хистоните, освен што овозможува интеракции со ДНК, исто така придонесува за нивната висока растворливост во вода.

Хистоните подлежат на посттранслациони модификации главно на нивните N-терминални опашки, но исто така и на нивните глобуларни домени.[13][14] Овие модификации вклучуваат: метилација, цитрулинација, ацетилација, фосфорилација, SUMOилација, убиквитинација и ADP-рибозилација. Ова влијае на нивната функција во регулацијата на експресијата на гените.

Во принцип, гените кои се поактивни и имаат помалку врзани хистони, додека неактивните гени имаат повеќе врзани хистони за време на интерфазата.[15] Структурата на хистоните еволутивно е високо сочувана, бидејќи секоја штетна мутација сериозно би се одразила на способноста на организмот за адаптација. Сите хистони имаат многу позитивно наелектризирани N-терминали, со многу лизински и аргинински остатоци.

Сочуваност кај разните видови на организми[уреди | уреди извор]

Хистоните се наоѓаат во јадрата на eукариотските клетки, а и во одредени археи, имено Proteoarchaea и Euryarchaea, но се отсутни кај бактериите.[12] Порано се мислело дека едноклеточните алги познати како динофлагелати се единствените еукариоти кои немаат хистони,[16] но поновите истражувања покажале дека нивната ДНК поседува гени за хистони.[17] За разлика од основните хистони, линкер хистоните (H1) богати со лизин се среќаваат кај бактериите, каде се познати како нуклеопротеин HC1/HC2.[18]

Архејските хистони можеби претставуваат еволуциони претходници на eукариотските хистони.[12] Кај еукариотите, хистоните се едни од еволуционо најсочуваните протеини, што ја потенцира нивната централна улога во биологијата на клеточното јадро.[2]:939 Единствено созреаните сперматозоиди главно користат протамини за пакување на нивната геномска ДНК, најверојатно бидејќи на овој начин постигнуваат повисок степен на спакуваност.[19]

Во некои од главните класи постојат варијантни форми. Тие споделуваат хомологија во аминокиселинската секвенца и структурата со одредена класа на големи хистони, но, исто така, имаат и свои сопствени карактеристики кои е разликуваат од оние на главните хистони. Овие варијантни форми обично извршуваат специфични функции во метаболизмот на хроматинот. На пример, хистонот CENPA се наоѓа само во регионот на центромерот на хромозомот. Хистонот H2A.Z е поврзан со промоторите на активно транскрибирани гени и, исто така, игра улога во превенцијата на ширењето на тивкиот хетерохроматин.[20] Исто така, H2A.Z има улоги во хроматинот за геномска стабилност.[21] Хистонот H2A.X е фосфорилиран на S139 во регионите околу пресеците на двојната верига на ДНК и го обележува регионот кој е во процес на ДНК поправка.[22] Хистонот H3.3 е поврзан со регионите на активно транскрибирани гени.[23]

Функција[уреди | уреди извор]

Пакување на ДНК нишките[уреди | уреди извор]

Хистоните делуваат како калеми околу кои се намотува ДНК молекулата. Пакувањето на ДНК кај еукариотите е неопходно поради големината на нивниот геном: спакуваната ДНК молекула е околу 40.000 пати пократка од неспакуваната.

Хроматинска регулација[уреди | уреди извор]

Хистоните често подлежат на посттранслациони модификации кои ја менуваат нивната интеракција со ДНК и нуклеарните протеини. Хистоните H3 и H4 имаат долги опашки кои излегуваат од нуклеозомот, кои може ковалентно да се модифицираат на неколку места. Модификациите на опашката вклучуваат метилација, ацетилација, фосфорилација, убиквитинација, SUMOилација, цитрулинација и ADP-рибозилација. Јадрото на хистоните H2A и H2B, исто така, може да биде модифицирано. Комбинациите на овие модификации се смета дека претставуваат вид на код, т.н. „хистонски код“.[24][25] Хистонските модификации играат улога во различни биолошки процеси како што се регулацијата на генската експресија, поправката на ДНК, кондензација на хромозомите (митоза) и сперматогенеза (мејоза).[26]

Заедничка номенклатура на хистонските модификации е:

  • Името на хистонот (на пример, H3)
  • Кратенката на аминокиселината од една буква (на пример, К за лизин) и нејзината позиција во протеинот
  • Типот на модификација (Ме: метил, P: фосфат, Ac: ацетил, Ub: убиквитин)
  • Бројот на модификации (само Me е познато дека се јавува во повеќе од една копија по аминокиселински остаток. 1, 2 или 3 е моно-, ди- или три-метилација)

Пример: H3K4me1 означува монометилација на четвртиот аминокиселински остаток (во овој случај лизин) од почетокот (односно, од N-терминалот) на H3 протеинот.

Примери на хистонски модификации во транскрипционата регулација
Тип на
модификација
Хистон
H3K4 H3K9 H3K14 H3K27 H3K79 H3K36 H4K20 H2BK5 H2BK20
монометилација активација[27] активација[28] активација активација[29] активација активација
диметилација репресија[30] репресија активација
триметилација активација[31] репресија репресија активација,репресија активација репресија
ацетилација активација[32] активација активација активација[33] активација

Функции на хистонските модификации[уреди | уреди извор]

Опишани се голем број на хистонски модификации, но функцијата на повеќето сѐ уште не е доволно разјаснета. Се смета дека сите тие се дел од т.н. „хистонски код“, во кој комбинациите на повеќе модификации имаат специфични значења. Сепак, повеќето функционални податоци се однесуваат на одделни хистонски модификации кои се биохемиски подложни на детално проучување.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Youngson, Robert M. (2006). Collins Dictionary of Human Biology. Glasgow: HarperCollins. ISBN 978-0-00-722134-9. 
  2. 2,0 2,1 2,2 Cox, Michael; Nelson, David R.; Lehninger, Albert L (2005). Lehninger Principles of Biochemistry. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-4339-2. https://archive.org/details/lehningerprincip00lehn_0. 
  3. Histone H2A variants H2AX and H2AZ. „Current Opinion in Genetics & Development“ том  12 (2): 162–9. април 2002 г. doi:10.1016/S0959-437X(02)00282-4. PMID 11893489. 
  4. „Histone Variants Database 2.0“. National Center for Biotechnology Information. конс. 13 January 2017. 
  5. Recognition and classification of histones using support vector machine. „Journal of Computational Biology“ том  13 (1): 102–12. doi:10.1089/cmb.2006.13.102. PMID 16472024. http://eprints.ucm.es/9328/1/31.Reche_etal_MI_2006.pdf. 
  6. Hartl, Daniel L.; Freifelder, David; Snyder, Leon A (1988). Basic Genetics. Boston: Jones and Bartlett Publishers. ISBN 978-0-86720-090-4. https://archive.org/details/basicgenetics0000hart. 
  7. Histone structure and nucleosome stability. „Expert Review of Proteomics“ том  2 (5): 719–29. октомври 2005 г. doi:10.1586/14789450.2.5.719. PMID 16209651. 
  8. 8,0 8,1 Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. „Nature“ том  389 (6648): 251–60. септември 1997 г. doi:10.1038/38444. PMID 9305837. Bibcode1997Natur.389..251L.  PDB: 1AOI 
  9. Farkas, Daniel (1996). DNA simplified: the hitchhiker's guide to DNA. Washington, D.C: AACC Press. ISBN 978-0-915274-84-0. 
  10. On the origin of the histone fold. „BMC Structural Biology“ том  7: 17. март 2007 г. doi:10.1186/1472-6807-7-17. PMID 17391511.  отворен пристап — бесплатно за читање
  11. Structure of histone-based chromatin in Archaea. „Science“ том  357 (6351): 609–612. август 2017 г. doi:10.1126/science.aaj1849. PMID 28798133. Bibcode2017Sci...357..609M. 
  12. 12,0 12,1 12,2 Structure and function of archaeal histones. „PLoS Genetics“ том  14 (9): e1007582. септември 2018 г. doi:10.1371/journal.pgen.1007582. PMID 30212449. 
  13. The tale beyond the tail: histone core domain modifications and the regulation of chromatin structure. „Nucleic Acids Research“ том  34 (9): 2653–62. 19 мај 2006 г. doi:10.1093/nar/gkl338. PMID 16714444. 
  14. Scratching the (lateral) surface of chromatin regulation by histone modifications. „Nature Structural & Molecular Biology“ том  20 (6): 657–61. јуни 2013 г. doi:10.1038/nsmb.2581. PMID 23739170. 
  15. Allison, Lizabeth A. (2012). Fundamental Molecular Biology Second Edition. United States of America: John Wiley & Sons. стр. 102. ISBN 9781118059814. 
  16. Those amazing dinoflagellate chromosomes. „Cell Research“ том  13 (4): 215–7. август 2003 г. doi:10.1038/sj.cr.7290166. PMID 12974611. 
  17. Chromatin: Packaging without Nucleosomes. „Current Biology“ том  22 (24): R1040–R1043. doi:10.1016/j.cub.2012.10.052. PMID 23257187. 
  18. Origin of H1 linker histones. „FASEB Journal“ том  15 (1): 34–42. јануари 2001 г. doi:10.1096/fj.00-0237rev. PMID 11149891. 
  19. Nuclear and chromatin composition of mammalian gametes and early embryos. „Biochemistry and Cell Biology“ том  70 (10-11): 856–66. doi:10.1139/o92-134. PMID 1297351. 
  20. Variant histone H2A.Z is globally localized to the promoters of inactive yeast genes and regulates nucleosome positioning. „PLoS Biology“ том  3 (12): e384. декември 2005 г. doi:10.1371/journal.pbio.0030384. PMID 16248679.  отворен пристап — бесплатно за читање
  21. Precise deposition of histone H2A.Z in chromatin for genome expression and maintenance. „Biochim Biophys Acta“ том  1819 (3–4): 290–302. октомври 2011 г. doi:10.1016/j.bbagrm.2011.10.004. PMID 22027408. 
  22. A critical role for histone H2AX in recruitment of repair factors to nuclear foci after DNA damage. „Current Biology“ том  10 (15): 886–95. doi:10.1016/S0960-9822(00)00610-2. PMID 10959836. 
  23. The histone variant H3.3 marks active chromatin by replication-independent nucleosome assembly. „Molecular Cell“ том  9 (6): 1191–200. јуни 2002 г. doi:10.1016/S1097-2765(02)00542-7. PMID 12086617. 
  24. The language of covalent histone modifications. „Nature“ том  403 (6765): 41–5. јануари 2000 г. doi:10.1038/47412. PMID 10638745. Bibcode2000Natur.403...41S. 
  25. Translating the histone code. „Science“ том  293 (5532): 1074–80. август 2001 г. doi:10.1126/science.1063127. PMID 11498575. http://www.gs.washington.edu/academics/courses/braun/55104/readings/jenuwein.pdf. 
  26. Immunohistochemical Analysis of Histone H3 Modifications in Germ Cells during Mouse Spermatogenesis. „Acta Histochemica et Cytochemica“ том  44 (4): 183–90. август 2011 г. doi:10.1267/ahc.11027. PMID 21927517. 
  27. Histone H3K4 demethylases are essential in development and differentiation. „Biochemistry and Cell Biology“ том  85 (4): 435–43. август 2007 г. doi:10.1139/o07-057. PMID 17713579. 
  28. High-resolution profiling of histone methylations in the human genome. „Cell“ том  129 (4): 823–37. мај 2007 г. doi:10.1016/j.cell.2007.05.009. PMID 17512414. 
  29. DOT1L/KMT4 recruitment and H3K79 methylation are ubiquitously coupled with gene transcription in mammalian cells. „Molecular and Cellular Biology“ том  28 (8): 2825–39. април 2008 г. doi:10.1128/MCB.02076-07. PMID 18285465. 
  30. Determination of enriched histone modifications in non-genic portions of the human genome. „BMC Genomics“ том  10: 143. doi:10.1186/1471-2164-10-143. PMID 19335899.  отворен пристап — бесплатно за читање
  31. The landscape of histone modifications across 1% of the human genome in five human cell lines. „Genome Research“ том  17 (6): 691–707. јуни 2007 г. doi:10.1101/gr.5704207. PMID 17567990. 
  32. H3 lysine 4 is acetylated at active gene promoters and is regulated by H3 lysine 4 methylation. „PLoS Genetics“ том  7 (3): e1001354. 31 март 2011 г. doi:10.1371/journal.pgen.1001354. PMID 21483810. 
  33. Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state. „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America“ том  107 (50): 21931–6. декември 2010 г. doi:10.1073/pnas.1016071107. PMID 21106759. 

Надворешни врски[уреди | уреди извор]