ХИСТОНИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ВИДОВЕ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На хистоните са основните протеини, които взаимодействат с ДНК, за да образуват нуклеозоми, които формират нишки на хроматин съставки на хромозоми в еукариоти.

Нуклеозомите, комплексите, съставени от ДНК и протеини, са открити през 1974 г. и именно хистоните сглобяват това базово ниво на организация на хроматина. Съществуването на хистонови протеини обаче е известно отпреди 60-те години.

Графично представяне на нуклеозома с октамерен център от хистони и ДНК, навита около нея (Източник: Джавахар Сваминатан и служители на MSD в Европейския институт по биоинформатика чрез Wikimedia Commons)

Хистоните са организирани по такъв начин, че двуверижната ДНК се увива около протеинов център, съставен от тези протеини, които си взаимодействат тясно помежду си. Центърът на хистоните е с форма на диск и ДНК отива около 1,7 пъти.

Множеството водородни връзки позволяват на ДНК да се свърже с протеиновия център, образуван от хистоните във всяка нуклеозома. Тези връзки се образуват в по-голямата си част между аминокиселинните основи на хистоните и захарно-фосфатната основа на ДНК. Някои хидрофобни взаимодействия и йонни връзки също участват.

Протеините, известни като "комплекси за ремоделиране на хроматин", са отговорни за разрушаването и образуването на съединителните връзки между ДНК и хистоните, позволявайки на транскрипционната машина да влезе в ДНК, съдържаща се в нуклеозоми.

Въпреки близостта на нуклеиновите киселини до протеиновия център, образуван от хистони, те са подредени по такъв начин, че ако е необходимо, позволяват влизането на транскрипционни фактори и други протеини, свързани с генната експресия или заглушаване на гена, Хистоните могат да претърпят различни модификации, които генерират множество варианти, което прави възможно съществуването на много различни форми на хроматин, които имат свойството да модулират генната експресия по различни начини.

характеристики

Те са един от най-запазените еукариотни протеини в природата. Например, показано, че граховият хистон Н4 се различава само в две от 102 позиции на аминокиселини на краве Н4 протеин.

Хистоните са сравнително малки протеини, с не повече от 140 аминокиселини. Те са богати на основни аминокиселинни остатъци, така че имат нетен положителен заряд, което допринася за взаимодействието им с отрицателно заредената нуклеинова киселина за образуване на нуклеозоми.

Известни са нуклеозомни и мостови хистони. Нуклеозомните хистони са H3, H4, H2A и H2B, докато свързващите хистони принадлежат към семейството на хистоните H1.

По време на сглобяването на нуклеозоми първоначално се образуват специфични димери H3-H4 и H2A-H2B. След това два H3-H4 димера се съединяват, за да образуват тетрамери, които по-късно се комбинират с димери H2A-H2B, образувайки октамерен център.

Всички хистони се синтезират главно по време на S фазата на клетъчния цикъл и нуклеозомите се сглобяват в зараждащите се ДНК спирали, непосредствено след вилицата за репликация.

структура

Общата структура на хистоните включва основен аминокиселинен регион и глобуларен карбоксилен регион, силно запазен сред еукариотните организми.

Структурен мотив, известен като „хистонова гънка“, съставен от три алфа спирали, свързани от два шпилки и образуващи малък хидрофобен център, е отговорен за протеино-протеиновите взаимодействия между хистоните, които изграждат нуклеозомата.

Именно тази гънка от хистони съставя кълбовидния карбоксилен домейн на тези нуклеозомни протеини във всички еукариоти.

Хистоните също имат малки "опашки" или амино-терминални и други карбокси-крайни региони (достъпни за протеази), дълги не повече от 40 аминокиселини. И двата региона са богати на основни аминокиселини, които могат да претърпят множество пост-транслационни ковалентни модификации.

Обвързване на хистони

В еукариотите има две семейства на свързващи хистони, диференцирани един от друг по своята структура. Някои имат тристранна структура, като глобуларният домейн, описан по-горе, е обграден от „неструктурирани“ N- и С-терминални домейни; докато други имат само C-терминален домейн.

Въпреки че повечето хистони са запазени, по време на ембриогенезата или узряването на специализирани клетки в някои организми могат да възникнат някои специфични варианти. Някои структурни варианти са свързани с пост-транслационни модификации, като например:

- Фосфорилиране: смята се, че е свързано с изменението на степента на кондензация на хроматина и се среща често в сериновите остатъци.

- Ацетилиране: свързано с хромозомни участъци, които са транскрипционно активни. Обикновено се среща в страничните вериги от остатъци от лизин. Тъй като се появява върху тези остатъци, техният положителен заряд намалява, като по този начин намалява афинитета на протеините към ДНК.

- Метилиране: може да се случи като моно-, ди- или триметилиране на лизинови остатъци, които стърчат от протеиновата сърцевина.

Специфичните ензими са отговорни за извършването на тези ковалентни модификации в хистоните. Тези ензими включват хистон ацетил трансферази (HATs), хистонови деацетилазни комплекси (HDACs) и хистон метилтрансферази и деметилази.

Видове

Характеризирането на хистоните се извършва чрез различни биохимични техники, сред които се открояват хроматографиите, които се основават на слаби катионообменни смоли.

Някои автори установяват форма на класификация, при която в еукариотите се разграничават 5 основни типа хистони: FI, с 21 kDa протеини; F2A1 или FIV, плюс или минус 11,3 kDa; F2A2 или FIIbI, 14.5 kDa; F2B или FIIb2, с молекулно тегло от 13,7 kDa и F3 или FIII, от 15,3 kDa.

Всички тези видове хистони, с изключение на групата IF, се намират в еквимоларни количества в клетките.

Друга класификация със същата валидност и може би най-широко използваната понастоящем предлага съществуването на два различни типа хистони, а именно: тези, които са част от октамера на нуклеозомата и свързващите или мостовидните хистони, които се присъединяват към нуклеозомите между да.

Някои варианти могат да се появят и между видовете и за разлика от основните хистони, вариантите се синтезират по време на интерфаза и се вкарват в предварително формиран хроматин чрез процес, зависим от енергията, освободена от хидролизата на АТФ.

Нуклеозомни хистони

Центърът на нуклеозомата се състои от двойка от всеки от четирите съставни хистона: H2a, H2b, H3 и H4; върху които са навити ДНК сегменти от около 145 базови двойки.

Хистоните H4 и H2B по принцип са инвариантни. Някои вариации са очевидни обаче в хистоните H3 и H2A, чиито биофизични и биохимични свойства променят нормалния характер на нуклеозомата.

Вариант на хистон Н2А при хора, H2A.Z протеинът притежава голяма кисела област и може да насърчи нуклеозомна стабилност в зависимост от вариантите на хистон Н3, с които е свързан.

Тези хистони показват известна променливост между видовете, специален случай е този на хистон H2B, за който първата трета от молекулата е силно променлива.

Обвързване на хистони

Свързващите или свързващи хистони са хистоните от клас H1. Те са отговорни за обединението между нуклеозомите и защитата на ДНК, която стърчи в началото и в края на всяка частица.

За разлика от нуклеозомните хистони, не всички хистони от типа H1 притежават глобуларната област на хистонната "гънка". Тези протеини се свързват с ДНК между нуклеозомите, улеснявайки преместването на хроматиновия баланс към по-кондензирано и по-малко активно състояние, транскрипционно казано.

Изследванията свързват тези хистони със процесите на стареене, възстановяването на ДНК и апоптотичните процеси, поради което се смята, че те играят решаваща роля за поддържането на геномната цялост.

Характеристика

Всички аминокиселинни остатъци от хистони участват по един или друг начин във взаимодействието им с ДНК, което обяснява факта, че те са толкова запазени сред кралствата на еукариотните организми.

Участието на хистони в опаковката на ДНК под формата на хроматин е от голямо значение за сложните многоклетъчни организми, в които различните клетъчни линии могат да се специализират само чрез промяна на достъпността на техните гени до транскрипционната машина.

Транскрипционно активните геномни региони са плътни в нуклеозоми, което предполага, че връзката на ДНК с протеините от хистон е от решаващо значение за отрицателната или положителната регулация на тяхната транскрипция.

По същия начин, през целия живот на клетката, отговорът на голям брой стимули, както вътрешни, така и външни, зависи от малки промени в хроматина, които обикновено имат общо с ремоделирането и посттранслационната модификация на хистоните, открити в тясна връзка с ДНК.

Множество хистонови променливи обслужват различни функции в еукариотите. Една от тях е свързана с участието на вариант на хистон Н3 във формирането на центромерните структури, отговорни за отделянето на хромозоми по време на митоза.

Противопоставянето на този протеин в други еукариоти е показано, че е от съществено значение за сглобяването на протеиновия кинетохор, към който вретеновите микротрубочки се свързват по време на митоза и мейоза.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Молекулярна биология на клетката (6-то изд.). Ню Йорк: Garland Science.
2. Campos, EI и Reinberg, D. (2009). Хистони: Анотиращ хроматин. Annu. Преподобни Генети., 43, 559–599.
3. Harvey, AC, & Downs, JA (2004). Какви функции осигуряват хистоните на линкер? Молекулярна микробиология, 53, 771–775.
4. Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Сглобяване на вариантен хистон в хроматин. Annu. Преподобна клетка. Dev. Biol., 21, 133-153.
5. Isenberg, I. (1979). Хистони. Annu. Преподобна Биохим., 48, 159–191.
6. Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974). Хроматинова структура: олигомери на хистоните. Science, 184 (4139), 865-868.
7. Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). Химия и биология на хистоните. Физиологични прегледи, 50 (2), 159–170.