ГИСТОНЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРОЕНИЕ, ВИДЫ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В гистоны являются основными белками , которые взаимодействуют с ДНК с образованием нуклеосом, которые образуют нити хроматина составляющих хромосом у эукариот.

Нуклеосомы, комплексы, состоящие из ДНК и белков, были открыты в 1974 году, и именно гистоны собирают этот базальный уровень организации хроматина. Однако о существовании гистоновых белков было известно еще до 1960-х годов.

Графическое изображение нуклеосомы с октамерным центром гистонов и ДНК, намотанной вокруг него (Источник: Джавахар Сваминатан и сотрудники MSD в Европейском институте биоинформатики через Wikimedia Commons)

Гистоны организованы таким образом, что двухцепочечная ДНК обвивается вокруг белкового центра, состоящего из этих белков, которые тесно взаимодействуют друг с другом. Центр гистонов имеет форму диска, а ДНК повторяется в 1,7 раза.

Множественные водородные связи позволяют ДНК связываться с белковым центром, образованным гистонами в каждой нуклеосоме. Эти связи образуются по большей части между аминокислотными скелетами гистонов и сахарно-фосфатным скелетом ДНК. Также участвуют некоторые гидрофобные взаимодействия и ионные связи.

Белки, известные как «комплексы ремоделирования хроматина», несут ответственность за разрыв и формирование переходных связей между ДНК и гистонами, позволяя транскрипционному аппарату проникать в ДНК, содержащуюся в нуклеосомах.

Несмотря на близость нуклеиновых кислот к белковому центру, образуемому гистонами, они расположены таким образом, что при необходимости они позволяют вводить факторы транскрипции и другие белки, связанные с экспрессией генов или подавлением генов. ,

Гистоны могут подвергаться различным модификациям, которые генерируют множество вариантов, что делает возможным существование множества различных форм хроматина, которые обладают свойством модулировать экспрессию генов различными способами.

характеристики

Они являются одними из наиболее консервативных эукариотических белков в природе. Например, было показано, что гистон H4 гороха различается только двумя из 102 положений аминокислот белка H4 коровы.

Гистоны - это относительно небольшие белки, содержащие не более 140 аминокислот. Они богаты основными аминокислотными остатками, поэтому имеют чистый положительный заряд, который способствует их взаимодействию с отрицательно заряженной нуклеиновой кислотой с образованием нуклеосом.

Известны нуклеосомные и мостиковые гистоны. Нуклеосомными гистонами являются H3, H4, H2A и H2B, а связывающие гистоны принадлежат к семейству гистонов H1.

Во время сборки нуклеосом сначала образуются специфические димеры H3-H4 и H2A-H2B. Затем два димера H3-H4 соединяются вместе с образованием тетрамеров, которые позже объединяются с димерами H2A-H2B, образуя октамерный центр.

Все гистоны синтезируются в основном во время S-фазы клеточного цикла, а нуклеосомы собираются в формирующиеся спирали ДНК сразу после репликационной вилки.

Структура

Общая структура гистонов включает область основной аминокислоты и глобулярную карбоксильную область, высоко консервативную среди эукариотических организмов.

Структурный мотив, известный как «гистоновая складка», состоящий из трех альфа-спиралей, соединенных двумя шпильками и образующих небольшой гидрофобный центр, отвечает за белок-белковые взаимодействия между гистонами, составляющими нуклеосому.

Именно эта складка гистонов составляет глобулярный карбоксильный домен этих нуклеосомных белков у всех эукариот.

Гистоны также имеют небольшие «хвосты» или аминоконцевые и другие карбоксиконцевые области (доступные для протеаз), длиной не более 40 аминокислот. Обе области богаты основными аминокислотами, которые могут подвергаться множественным посттрансляционным ковалентным модификациям.

Связывание гистонов

У эукариот есть два семейства связывающих гистонов, отличающихся друг от друга своей структурой. Некоторые имеют трехчастную структуру с описанным выше глобулярным доменом, фланкированным «неструктурированными» N- и C-концевыми доменами; в то время как другие имеют только C-концевой домен.

Хотя большинство гистонов сохраняется, во время эмбриогенеза или созревания специализированных клеток у некоторых организмов могут возникать некоторые специфические варианты. Некоторые структурные изменения связаны с посттрансляционными модификациями, например следующие:

- Фосфорилирование : считается, что оно связано с изменением степени конденсации хроматина и обычно происходит в остатках серина.

- Ацетилирование : связано с транскрипционно активными участками хромосом. Обычно это происходит на боковых цепях остатков лизина. Поскольку это происходит на этих остатках, их положительный заряд уменьшается, тем самым уменьшая сродство белков к ДНК.

- Метилирование : может происходить как моно-, ди- или триметилирование остатков лизина, которые выступают из ядра белка.

За эти ковалентные модификации гистонов отвечают определенные ферменты. Эти ферменты включают гистонацетилтрансферазы (HAT), гистоновые деацетилазные комплексы (HDAC) и гистоновые метилтрансферазы и деметилазы.

Типы

Характеристика гистонов проводилась различными биохимическими методами, среди которых выделяются хроматографии, основанные на слабых катионообменных смолах.

Некоторые авторы устанавливают форму классификации, в которой различают 5 основных типов гистонов у эукариот: FI с белками 21 кДа; F2A1 или FIV плюс-минус 11,3 кДа; F2A2 или FIIbI, 14,5 кДа; F2B или FIIb2 с молекулярной массой 13,7 кДа и F3 или FIII с 15,3 кДа.

Все эти типы гистонов, за исключением группы IF, обнаруживаются в клетках в эквимолярных количествах.

Другая классификация, с такой же достоверностью и, возможно, наиболее широко используемая в настоящее время, предполагает существование двух разных типов гистонов, а именно: тех, которые являются частью октамера нуклеосомы, и связывающих или мостиковых гистонов, которые соединяют нуклеосомы между да.

Некоторые варианты также могут встречаться между видами, и в отличие от гистонов ядра, варианты синтезируются во время интерфазы и вставляются в предварительно сформированный хроматин посредством процесса, зависящего от энергии, высвобождаемой при гидролизе АТФ.

Нуклеосомные гистоны

Центр нуклеосомы состоит из пары каждого из четырех составляющих гистонов: H2a, H2b, H3 и H4; на котором намотаны сегменты ДНК примерно из 145 пар оснований.

Гистоны H4 и H2B в принципе инвариантны. Однако некоторые вариации очевидны в гистонах H3 и H2A, биофизические и биохимические свойства которых изменяют нормальную природу нуклеосомы.

Вариант гистона H2A у человека, белок H2A.Z обладает большой кислой областью и может способствовать стабильности нуклеосом в зависимости от вариантов гистона H3, с которыми он связан.

Эти гистоны демонстрируют некоторую вариабельность между видами, особым случаем является гистон H2B, для которого первая треть молекулы сильно вариабельна.

Связывание гистонов

Связывающие или мостиковые гистоны представляют собой гистоны класса H1. Они несут ответственность за объединение нуклеосом и защиту ДНК, выступающей в начале и в конце каждой частицы.

В отличие от нуклеосомных гистонов, не все гистоны H1-типа обладают глобулярной областью гистоновой «складки». Эти белки связываются с ДНК между нуклеосомами, способствуя сдвигу баланса хроматина в сторону более конденсированного и менее активного состояния, говоря транскрипционно.

Исследования связывают эти гистоны со старением, репарацией ДНК и процессами апоптоза, поэтому считается, что они играют решающую роль в поддержании целостности генома.

Характеристики

Все аминокислотные остатки гистонов тем или иным образом участвуют в их взаимодействии с ДНК, что объясняет тот факт, что они так консервативны среди царств эукариотических организмов.

Участие гистонов в упаковке ДНК в виде хроматина имеет большое значение для сложных многоклеточных организмов, в которых различные клеточные линии могут специализироваться только за счет изменения доступности их генов для транскрипционного аппарата.

Транскрипционно активные области генома плотно расположены в нуклеосомах, предполагая, что ассоциация ДНК с гистоновыми белками имеет решающее значение для отрицательной или положительной регуляции их транскрипции.

Аналогичным образом, на протяжении всей жизни клетки ответ на большое количество стимулов, как внутренних, так и внешних, зависит от небольших изменений хроматина, которые обычно связаны с ремоделированием и посттрансляционной модификацией гистонов, обнаруженных в тесная связь с ДНК.

Множественные гистоновые переменные выполняют разные функции у эукариот. Один из них связан с участием варианта гистона H3 в формировании центромерных структур, ответственных за сегрегацию хромосом во время митоза.

Аналог этого белка у других эукариот, как было показано, важен для сборки кинетохоры белка, с которой микротрубочки веретена связываются во время митоза и мейоза.

Ссылки

1. Альбертс, Б., Джонсон, А., Льюис, Дж., Морган, Д., Рафф, М., Робертс, К., и Уолтер, П. (2015). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах.
2. Кампос, Э.И., и Рейнберг, Д. (2009). Гистоны: аннотирующий хроматин. Annu. Преподобный Жене. , 43, 559–599.
3. Харви, AC, и Даунс, JA (2004). Какие функции выполняют линкерные гистоны? Молекулярная микробиология, 53, 771–775.
4. Хеникофф, С., и Ахмад, К. (2005). Сборка вариантов гистонов в хроматин. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 21, 133–153.
5. Изенберг, И. (1979). Гистоны. Annu. Rev. Biochem. , 48, 159–191.
6. Корнберг, Р. Д., и Томас, Д. О. (1974). Структура хроматина: олигомеры гистонов. Наука, 184 (4139), 865-868.
7. Смит, Э., ДеЛанж, Р., и Боннер, Дж. (1970). Химия и биология гистонов. Физиологические обзоры, 50 (2), 159–170.