Характеристики, структура, типи та функції гістонів

гістони є основними білками, які взаємодіють із ДНК для утворення нуклеосом, які складають ланцюги хроматину, що становлять хромосоми у еукаріотичних організмів.

Нуклеосоми, комплекси, утворені ДНК та білками, були відкриті у 1974 році, і саме гістони збирають цей базальний рівень організації хроматину. Однак існування гістонових білків відоме ще до 1960-х років.

Гістони організовані таким чином, що подвійна смуга ДНК обернена навколо білкового центру, що складається з цих білків, які тісно взаємодіють один з одним. Гістоновий центр має форму диска, і ДНК здійснює близько 1,7 обороту навколо нього.

Множинні водневі зв'язки дозволяють зв'язувати ДНК із білковим центром, утвореним гістонами у кожній нуклеосомі. Ці зв'язки утворюються, в основному, між амінокислотними скелетами гістонів і сахарофосфатним кістяком ДНК. Деякі гідрофобні взаємодії та іонні зв'язки також беруть участь.

Білки, відомі як «комплекси ремоделювання хроматину», відповідальні за руйнування та утворення зв'язуючих зв'язків між ДНК і гістонами, дозволяючи проникати транскрипційному механізму в ДНК, що міститься в нуклеосомах.

Незважаючи на близькість нуклеїнових кислот до білкового центру, утвореного гістонами, вони розташовані таким чином, що при необхідності вони дозволяють вводити фактори транскрипції та інші білки, пов'язані з експресією або генетичним мовчанням.

Гістони можуть піддаватися різним модифікаціям, які генерують безліч варіантів, роблячи можливим існування безлічі різних форм хроматину, які мають здатність модулювати експресію генів різними способами.

• 1 Характеристики
• 2 Структура
  • 2.1 Спілка гістонів
  • 3.1 Нуклеосомні гістони
  • 3.2 Об'єднання гістонів

  риси

  Вони є найбільш консервативними еукаріотичними білками в природі.

  Гістони являють собою відносно невеликі білки, що містять не більше 140 амінокислот.

  Відомі нуклеосомні і з'єднувальні або місткові гістони.

  Під час складання нуклеосоми спочатку утворюються специфічні димери H3-H4 і H2A-H2B.

  Всі гістони синтезуються в основному під час S-фази клітинного циклу, а нуклеосоми збираються в спіралі ДНК, що виникають, відразу після реплікаційної вилки.

  структура

  Загальна структура гістонів включає основну амінокислотну область та висококонсервативну глобулярну карбоксильну область серед еукаріотичних організмів.

  Структурний мотив, відомий як «гістонова складка», що складається з трьох альфа-спіралей, з'єднаних двома вилками і утворюють невеликий гідрофобний центр, відповідає за білок-білкові взаємодії між гістонами, що становлять нуклеосому.

  Саме ця складка гістонів становить глобулярний карбоксильний домен вказаних нуклеосомних білків у всіх еукаріотів.

  Гістони також мають невеликі "хвости" або амінокінцеві та інші карбоксилконцеві області (доступні для протеаз) завдовжки не більше 40 амінокислот. Обидві області багаті основними амінокислотами, які можуть піддаватися множинним ковалентним посттрансляційним модифікаціям.

  Союз гістонів

  У еукаріотів є два сімейства гістонів об'єднання, що відрізняються за будовою. Деякі мають тристоронню структуру, причому описаний вище глобулярний домен оточений N-і C-кінцевими «неструктурованими» доменами; в той час, як інші мають тільки C-термінал домену.

  Хоча більшість гістонів є консервативними, деякі специфічні варіанти можуть виникати під час ембріогенезу або дозрівання спеціалізованих клітин у деяких організмах. Деякі структурні зміни пов'язані з посттрансляційними модифікаціями, такими як:

  -фосфорилюванняВважається, що це пов'язано зі зміною ступеня конденсації хроматину і зазвичай зустрічається в серинових залишках.

  -ацетилювання: пов'язане з хромосомними областями, які є транскрипційно активними. Зазвичай це відбувається у бічних ланцюгах залишків лізину. З появою цих залишках позитивний заряд зменшується, зменшуючи спорідненість білків з ДНК.

  -метилювання: може бути представлений як моно-, ді-або триметилація залишків лізину, що виступають з ядра білка.

  Специфічні ферменти відповідальні за внесення цих ковалентних модифікацій у гістони. Ці ферменти включають гістонацетилтрансферази (HAT), гістондеацетилазні комплекси (HDAC) і гістонметилтрансферази та деметилази.

  тип

  Характеристика гістонів була проведена різними біохімічними методами, серед яких виділяються хроматографії, засновані на слабких катіонообмінних смолах.

  Деякі автори встановлюють метод класифікації, при якому у еукаріотів виділяються 5 основних типів гістонів: FI з білками 21 кДа; F2A1 або FIV, плюс або мінус 11,3 кДа; F2A2 або FIIbI, 14,5 кДа; F2B або FIIb2 з молекулярною масою 13,7 кДа та F3 або FIII 15,3 кДа.

  Всі ці типи гістонів, за винятком групи FI, виявляються в еквімолярних кількостях у клітинах.

  Інша класифікація, з тією ж валідністю і, можливо, найбільш використовуваною в даний час, передбачає існування двох різних типів гістонів, а саме: ті, що є частиною нуклеосомного октамера, і гістони з'єднання або моста, які з'єднують нуклеосоми між так.

  Деякі варіанти можуть також зустрічатися між видами та на відміну від ядерних гістонів, варіанти синтезуються під час межі розділу і вставляються в попередньо утворений хроматин за допомогою процесу, що залежить від енергії, що виділяється при гідролізі АТФ.

  Нуклеосомні гістони

  Ядро нуклеосоми складається з пари кожного з чотирьох конститутивних гістонів: H2a, H2b, H3 та H4; поверх яких обгорнуті сегменти ДНК близько 145 пар основ.

  Гістони H4 і H2B у принципі незмінні. Однак деякі зміни очевидні в гістонах H3 і H2A, біофізичні та біохімічні властивості яких змінюють нормальну природу нуклеосоми.

  Варіант гістону H2A у людини, білок H2A.Z, має велику кислотну область і може сприяти стабільності нуклеосоми в залежності від варіантів гістону H3, з якими він пов'язаний.

  Ці гістони показують деяку мінливість між видами, будучи особливим випадком гістону H2B, для якого перша третина молекули сильно змінюється.

  Союз гістонів

  Гістони з'єднання чи моста є гістонами класу H1.Вони відповідальні за об'єднання між нуклеосомами та захистом ДНК, яка виступає на початку та в кінці кожної частинки.

  На відміну від нуклеосомних гістонів, не всі гістони типу H1 мають глобулярну область «складки» гістонів. Ці білки зв'язуються з ДНК між нуклеосомами, сприяючи зміні балансу хроматину у бік більш конденсованого та менш активного стану, транскрипційно кажучи.

  Дослідження пов'язують ці гістони зі старінням, репарацією ДНК та апоптотичними процесами, тому вважається, що вони відіграють вирішальну роль у підтримці цілісності геному.

  функції

  Всі амінокислотні залишки гістонів так чи інакше беруть участь у їх взаємодії з ДНК, що пояснює той факт, що вони такі консервативні серед царств еукаріотичних організмів.

  Участь гістонів в упаковці ДНК у формі хроматину має велике значення для складних багатоклітинних організмів, у яких різні клітинні лінії можуть спеціалізуватися лише шляхом зміни доступності їх генів для транскрипційного механізму.

  Транскрипційно активні геномні області щільні в нуклеосомах, що дозволяє припустити, що асоціація ДНК з гістоновими білками має вирішальне значення для негативної або позитивної регуляції їхньої транскрипції.

  Аналогічно, протягом усього життя клітини відповідь на велику кількість стимулів як внутрішніх, так і зовнішніх залежить від невеликих змін у хроматині, які зазвичай пов'язані з посттрансляційним ремоделюванням і модифікацією гістонів, виявлених у тісний зв'язок з ДНК.

  Численні гістонові змінні виконують різні функції у еукаріотів. Один з них пов'язаний з участю варіанта гістону Н3 у формуванні центромірних структур, відповідальних за сегрегацію хромосом під час мітозу.

  Було показано, що аналог цього білка в інших еукаріотів необхідний для складання білкового кінетохору, з яким зв'язуються мікротрубочки веретена під час мітозу і мейозу.

  посилання

  1. Альбертс Б., Джонсон А., Льюїс Дж., Морган Д., Рафф М., Робертс К. та Уолтер П. (2015). Молекулярна біологія клітини (6-тє вид.). Нью-Йорк: Наука гірлянди.
  2. Кампос, Е. І. & Рейнберг, Д. (2009). Гістони: анотуючий хроматин. Annu. Преподобний Генет., 43, 559-599.
  3. Harvey, A.C. & Downs, J.A. (2004). Які функції забезпечують лінкерні гістони? Молекулярна мікробіологія, 53, 771-775.
  4. Хенікофф С. та Ахмад К. (2005). Складання варіантів гістонів у хроматин. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 21, 133-153.
  5. Ізенберг І. (1979). Гістони. Annu. Rev. Biochem., 48, 159-191.
  6. Kornberg, R.D. & Thomas, J.O. (1974). Структура хроматину: олігомери гістонів. Science, 184 (4139), 865-868.
  7. Сміт Еге., ДеЛанж Р. і Боннер Дж. (1970). Хімія та біологія гістонів. Фізіологічні огляди, 50(2), 159-170.

  Cell Biology.ru

  Більшість гістонових генів (гг) синтезується у S-фазі клітинного циклу. Гг об'єднані в кластери, але транскрибуються окремо. У птахів та ссавець розсіяні по геному. Більшість реплікованих рр позбавлені інтронів, мРНК не має 3'-poly(A)-кінця.
  Морський їжак: на ранніх стадіях розвитку функціонують специфічні мм, відповідальні за швидкий синтез гістонів. Після утворення бластули починається синтез інших років.
  Dm: рр знаходяться у другій х-ме. В ембріогенезі, можливо, гістони утворюються з альтернативних мм.

  Гістон H1

  Гістон H1 з'єднується з нуклеосомою ДНК та бере участь в утворенні 30 нм фібрили. Присутня у тварин, рослин та грибів. Деякі архебактерії мають схожі аналоги.

  Аналоги гістонів

  аналоги H2A

  H2AX - грає роль репарації ДНК, SQEY мотиф Р в сайтах де ДНК пошкоджена і збирає репарирующие білки.
  H2A.X фосфорилюється під час апоптозу, що призводить до руйнування ДНК, бере участь принаймні в одному шляху репарації у мишей (див. огляд Репарація ДНК). (Smith et al., 2002)
  H2A1 - інактивація Х-х-ми та дозова компенсація у ссавців.
  H2A.Z (Htz1 у дріжджів) суттєвий білок дрозофіли, мишей та Sc. залучений до активації та придушення транскрипції. (Swaminathan 2005)
  H2Av Dm перебуває в хромоцентрі гетерохроматину і пов'язаний з транскрибируемими і нетранскрибируемими генами в дисках і міждисків політенної хромосоми. His2Av схожий генетично з PcG генами і мутації в His2Av пригнічують PEV, припускає, що варіант гістону необхідний для еухроматинового сайленсингу та утворення гетерохроматину. His2Av мутанти виявляють зменшення ацетилювання гістону H4 лізину Lys 12, збільшується метилювання гістону H3 Lys 9 і зменшується з'єднання HP1 з прецентромірними регіонами. H2Av накопичення або ацетилювання H4K12 не торкається мутаціями в Su(var)3-9 або Su(var)2-5. У каскаді, що веде до встановлення гетерохроматину та приєднання варіанта H2Av, забезпечується H4K12 ацетилюванням, що є необхідним кроком для метилювання H3K9 і проєднання HP1. (Swaminathan 2005)
  H2ABbd (Barr body deficient) варіант гістону з 48% ідентичності до гістону H2A виявлено в 2001 р. H2ABbd коротше ніж звичайний H2A, і містить послідовність з шести аргінінів на кінці і має нестандартний для всіх H2A С-кінець. Амінокислотна послідовність фолд домену гістону H2ABbd істотно відрізняється від H2A
  macroH2A інактивація Х-хромосоми у ссавців. MacroH2A бере участь у приєднанні транскрипційного фактора та SWI/SNF нуклеосомному ремоделінгеї. (Gautier, 2004)

  аналоги Н2В не виявлено

  аналоги Н3

  (Dm) H3.3 – в активному хроматині, Cid – компонент прицентромірного гетерохроматину.Переміщення H3 тільки при реплікації, H3.3, Cid у всьому кл ​​циклі | переміщення H3.3 не узгоджується з реплікацією H3 відрізняється від H3.3 на 4 амінокислоти.
  залежності м-у збільшенням рівня ацетилювання гістонів та підвищення рівня експресії (Smith, 2002)
  Гістон H3.3 залучений до реплікації ДНК і може лужити маркером роматинових регіонів високої транскрипційної активності. (Smith, 2002)
  Гени гістонів мають 3' нетранскрибується район замість poly(A)-кінця. Dm: один ген кодує Сid та два Н3.3 поза S фазою
  Н3.3 та Н3 вбудовуються під час реплікації, Н3.3 та Cid можуть вбудовуватися незалежно від реплікації. Н3-подібний центромірний гістон СеnН3 спостерігається у різних тварин, грибів та рослин. Н3.3-подібний гістон в активному макронуклеусі Ciliate. Варіанти Н3 займають малу частину хроматину та їх властивості зазвичай не спостерігаються. (Ahmad, 2002)
  Спочатку збирається (H3-H4)2 – тетрамер і потім додаються два H2A-H2B димери. Нові гістони збираються, додається H1 та модифікуються гістонові плечі. (Ahmad, 2002)
  PCNA – proliferating cell nuclear antigene

  аналоги Н4

  аналоги Н1

  H1.1-H1.5, H10, H1t - субтипи у ссавців. Гістон H5 в настання еритроцитів курки
  H1oo виявили в ооцитах миші. H5 зустрічається тільки у амфібій та рептилій, де він виявлений удосталь у транскрипційно неактивних ядрах еритроцитів. Ядро зрілих еритроцитів майже гетерохроматинове, що дозволяє підтримувати малий обсяг хроматину. Експресія гістону H5 корелює із припиненням роботи RNA-полімерази II. Передбачається, що гістон H5 бере участь в інактивації геному і є частиною програми кінцевої диференціації еритроцитів. Гістон H1.0 гомолог ссавців близький за структурою H5 ніж H1. Дослідження показали, що його кількість збільшується в клітинах, що закінчили диференціювання.Оверекспресія гістону H1.0 здатна уповільнити проходження клітинного циклу та придушити експресію. H1.0 може конкурувати з однаковими послідовностями хроматину з RNA-полімеразою II. H1 складається з центрального глобулярного домену, фланкованого по краях хвостовими доменами. Найбільша різниця між варіантами полягає у відмінності їх хвостових доменів. N-кінець не потрібно індукції високоорганізованих структур. С-кінець необхідний для згортання хроматину, але не істотно в захисті від нуклеаз пов'язаного з приєднанням гістону H1. Точкова мутація та делеційні експерименти за участю гістону H1.1 показали, що одиночне фосфорилювання cdk в межах С-кінцевого домену може відповідати за складання всієї гістонової молекулиe. (Th'ng 2005)

  Експресія гістонових генів та складання нуклеосом

  Під час реплікації материнські гістони випадково розподіляються по обох ланцюгах ДНК. Знову синтезовані гістони доповнюють нуклеосоми. Поділ нуклеосом та додавання нових гістонів, ступінь реплікації та синтез гістонів чітко координується.
  Під час S-фази відбувається синтез ДНК, синтез гістонів та утворення нуклеосом. Ці три події починаються одночасно на початку S-фази. Якщо пригнічувати синтез ДНК інгібіторами, то пригнічується синтез гістонів. Механізм точного контролю не відомий.
  При інгібуванні синтезу гістонів або складання хроматину відбувається інгібування синтезу ДНК
  Людський білок HIRA (histone regulator A) відповідає за контроль синтезу гістонів. Hir1p, Hir2p -репресори транскрипції гістонів Sc. У фібробластах Hs HIRA колокалізується з HDAC4. HIRA - субстрат цикліна А або E/cdk2 у S-фазі. Фосфорилювання HIRA цикліном/cdk2 регулює експресію гістонів під час клітинного циклу. SLBP - Білок, що стабілізує гістонову мРНК.
  CAF1 (Chromatin Assembly Factor) - білковий комплекс з 3 суб'єд: 150, 60, 50 кДа зв'язує знову образ гістони Н3 і Н4 з ДНК з утворенням тетрамеру, що містить p150, p60 і p48.Активність CAF1 залежить від зв'язку p150CAF1 з p60CAF1 і з допоміжними факторами реплікації, PCNA (Adams, 2001 scientific report) Знову синтезовані H3 і H4 зв'язуються першими двома субодиницями (150, 60), з яких під 150 кД своєму складі WD-повтор (TrpAsn). Потім до нуклеосоми додаються H2A і H2B також за участю шаперонів з утворенням октамера. Шаперони здатні запасати гістони, переміщати до ядра, обмінювати гістони на ДНК, укладати гістони в нуклеосому.
  Транскрипція ДНК у нуклеосомі пригнічується Swi-Snf комплексом.

  Гістони прокаріотів

  Нуклеоїд прокаріот становить ~100 петель. Ці петлі конденсовані основними протеїнами та іншими погано вивченими факторами. HU білки (Hu-1 і Hu2) ~18кДа існують як гетеродимери. H-NS білок 16,5 кДа формує димер зв'язуючий ДНК. Є ~20000 H-NS молекул, що становить один димер на ~400пн ДНК.
  У аналогів корових гістонів архебактерій відсутні "хвости".

  1. Drlica K, Rouviere-Yaniv J. (1087) Histonelike proteins of bacteria. Microbiol Rev. 51 (3): 301-19. Adams, 2001
  2. Downs, 2003
  3. H. KASINSKY, J. LEWIS, J. DACKS, J. AUSIO (2001) Origin of H1 linker histones. The FASEB Journal;15:34-42
  4. C. M. Smith et al., (2002). Proc Natl Acad Sci U S A Ahmad, 2002
  5. Th'ng JP, Sung R, Ye M, Hendzel MJ. (2005) H1 family histones in the nucleus. Control binding and localization by C-terminal domain.
  6. J Biol Chem. Jul 29;280(30):27809-14. Epub 2005 May 23
  7. Gautier Histone variant H2ABbd confers lower stability to the nucleosome, 2004
  8. Chadwick & Willard, 2001
  9. Swaminathan J, Baxter EM, Corces VG. (2005) Роль histone H2Av variante replacement і histone H4 acetylation в establishment of Drosophila heterochromatin. Genes Dev. Jan 1;19(1):65-76.