Histoner (fra det græske ἱστός "væv") er en omfattende klasse af nukleare proteiner , der udfører to hovedfunktioner: deltagelse i pakningen af DNA-strenge i kernen og epigenetisk regulering af sådanne nukleare processer som transkription , replikation og reparation .
I kromatin udgør histoner 25-40 % af tørvægten [1] . På grund af det høje indhold af lysin og arginin udviser histoner stærkt basale egenskaber. Histoner er i direkte kontakt med DNA og er i stand til at neutralisere den negative ladning af DNA-fosfatgrupper på grund af de positive ladninger af aminosyrerester. Rækkefølgen af aminosyrer i disse proteiner er konservativ og adskiller sig praktisk talt ikke i organismer med forskellige taxaer . Histoner er til stede i kernerne i eukaryote celler; bakterier har ikke histoner, men de findes i archaea af Euryarchaea- gruppen [2] .
Histoner blev opdaget i 1884 af den tyske biokemiker Albrecht Kossel [3] .
Der er kun fem forskellige typer histoner H1/H5, H2A, H2B, H3, H4.
Histonerne H2A, H2B, H3, H4, kaldet kernehistoner (fra engelsk kerne "kerne; kerne"), danner et nukleosom , som er en proteinkugle, som en DNA-streng er viklet omkring. Den centrale underenhed af alle kernehistoner har den samme sekundære struktur med et udvidet α-spiralformet domæne, som er flankeret på begge sider af domæner, der indeholder en løkke og en kort α-helix. Denne underenhed kaldes "histonfolden" [4] .
Alle fire typer kernehistoner har den samme "histonefold", mens sekvensidentiteten mellem dem er ret lav [5] (ifølge nogle skøn ikke overstiger 25%).
H1/H5-histonen, kaldet linker -histonen , binder sig til ydersiden af nukleosomet og forankrer DNA-strengen på den. Den del af DNA, der følger efter den, kaldes linker-DNA (ca. 100 basepar). Histone H1 er den største af alle histoner. Det adskiller sig fra kernehistoner og påvirker yderligere kromatinpakning [4] .
Nukleosomer og linker-histoner har en række funktioner, der bestemmer kromatin-dynamikken. For eksempel er histon H1 en DNA-strengfikser på nukleosomet, og dermed kontrollerer den tilgængeligheden af kromatin [6] . Til gengæld kan kernehistoner ændre den indre sammensætning og derved påvirke tilgængeligheden af kromatin til visse DNA-regioner. Derudover gennemgår nukleosomale proteiner en række post-translationelle modifikationer i løbet af cellelivet, herunder acetylering, methylering, phosphorylering og ubiquitylering, hvilket kan ændre egenskaber og påvirke nukleosomets interaktion med forskellige proteiner.
Nukleosomet er cirka 147 basepar (bp) af DNA, som er viklet omkring en oktamer (~1,67 vindinger af helixen), der består af par af proteiner kaldet kernehistoner. Dens diameter er 7 nm. Længden af et DNA-fragment, der "omfavner" ét nukleosom, varierer, i gennemsnit 200 bp. Samtidig er 146 bp direkte forbundet med nukleosomet, og de resterende flere tiere forbinder to nabonukleosomer [7] . Linkerhiston H1 interagerer med linkerregionen af DNA uden at komme i kontakt med histonoktameren.
Kontakten mellem nukleosomets histoner og DNA er ret stærk. I hvert nukleosom dannes 142 hydrogenbindinger mellem DNA og de histoner, der udgør det . Næsten halvdelen af disse bindinger forekommer mellem hovedkæden af histonaminosyrer og phosphodiestergrupperne i sukker-phosphat-rygraden i DNA. Ud over hydrogenbindinger mellem DNA og proteiner holder nukleosomer adskillige hydrofobe interaktioner og saltbroer sammen. For eksempel kan de positive ladninger af aminosyrerne lysin og arginin , som histoner er beriget med, effektivt neutralisere den negative ladning af DNA-rygraden. Disse multiple interaktioner forklarer til dels, hvorfor næsten enhver DNA-sekvens kan kobles til en nukleosomal oktamer [8] .
Kohistonerne H2A, H2B, H3 og H4 er små proteiner med molekylvægte på 10-15 kDa , hvis sammensætning er ekstremt beriget med positivt ladede aminosyrer lysin og arginin [9] . Positivt ladede aminosyrer er hovedsageligt koncentreret i amin (N-) og carboxyl (C-) (se Peptidbinding ) terminale dele af kernehistonmolekyler kaldet haler. Histonhaler, omkring 15-30 aminosyrerester lange, er ikke organiseret i nogen udtalte sekundære strukturer. Histonhaler, primært N-halen, spiller en nøglerolle i de epigenetiske mekanismer, hvori disse proteiner er involveret. Hydrofobe aminosyrerester dominerer i de centrale, mest konserverede regioner af kernehistonpolypeptidkæden. Det er disse centrale regioner, der er involveret i dannelsen af den nukleosomale oktamer, som DNA snor sig på [3] . Den centrale region af alle nukleosomale histoner har en karakteristisk sekundær struktur med et udvidet α-spiralformet domæne, som er flankeret på begge sider af domæner, der indeholder en løkke og en kort α-helix. Denne rumlige struktur kaldes histonfolden ( engelsk histonfolddomæne , HFD) [10] . Nukleosomale histoner indeholder således et centralt struktureret trestrenget HFD-domæne og ustrukturerede N- og C-haler.
Histonerne H3 og H4, H2A og H2B genkender hinanden i par. Spiralformede domæner interagerer med hinanden og danner strukturer kaldet håndtryk, hvilket resulterer i heterodimerer - H3-H4 og H2A-H2B. Fra den første dimer dannes der igen en tetramer (Н3-Н4) 2 . Tetrameren (H3-H4) 2 og to dimerer H2A-H2B udgør histonoktameren, kernen i nukleosomet [3] . Nukleosomet er kileformet. Dens smalle del er (H3-H4) 2 , og den brede del består af to dimerer H2A-H2B, som er placeret på siderne af tetrameren (H3-H4) 2 og ikke interagerer med hinanden. Af alt DNA, der er viklet omkring den nukleosomale octamer, er omkring 80 basepar forbundet med (H3-H4) 2 tetrameren og omkring 40 basepar med H2A-H2B dimererne [10] .
Linker-histonen H1 binder til den ydre side af nukleosomet i regionen af (H3-H4) 2 -tetrameren og fikserer derved DNA-strengen på nukleosomet. I erytrocytterne hos fugle og krybdyr i inaktivt kromatin er der i stedet for histon H1 en nært beslægtet histon H5 [10] . Histon H1/H5 adskiller sig væsentligt fra de fire kernehistoner. Det har en molekylvægt på over 20 kDa. Det indeholder betydeligt flere lysinrester end arginin, og alle positivt ladede aminosyrerester er koncentreret ved C-terminalen af H1-molekylet. C-terminalen af H1-molekylet er karakteriseret ved en uordnet struktur og er omkring 100 aminosyrerester lang. Den centrale del af H1-molekylet er rig på hydrofobe aminosyrerester og danner en kugle i opløsning. N-terminalen har ikke en ordnet struktur og er relativt kort [9] .
En af de vigtige faktorer, der regulerer funktionen af eukaryote celler på nukleosomniveau, er udskiftningen af histoner med deres varianter . Der er to typer histoner: kanoniske og histonvarianter.
Alle histoner, undtagen histon H4, har forskellige varianter svarende til den. De kanoniske histoner (H2A, H2B, H3, H4, H1/H5) er normalt replikationsafhængige [4] . De kommer især til udtryk i cellecyklussens S-fase. Mens histonvarianter (H2A.Z, H2A.B, ..., H2B.W, H2B.Z, ..., H3.3, H3.Y, H3.5, ..., H1.0, H1. 10) er uafhængige af replikation og udtrykkes gennem hele cellens levetid. Både kanoniske histoner og deres varianter kan have deres egne særpræg afhængigt af typen af organisme. Selvom der også er universelle histoner [11] .
Histonvarianters rolle er at bevare den nukleosomale kromatinfoldning, øge eller mindske dens stabilitet, skabe en speciel kontekst i hver specifik kromatinregion og derved kontrollere processerne for transkription, replikation og reparation [10] . Hver histonvariant har en karakteristisk sekvens og strukturelle træk, der forklarer dens specifikke funktion [4] . Desuden, mens nogle varianter kan afvige med kun et par aminosyrerester, kan andre have lavere lighed. For eksempel adskiller H2B og H2B.E sig kun med fire eller fem aminosyrerester, mens de to undervarianter af H2A.Z (H2A.Z.1 og H2A.Z.2) hos hvirveldyr kun adskiller sig med tre. En lignende situation observeres mellem histonvarianten H2A.X og dens kanoniske form. Det adskiller sig fra H2A i det funktionelt vigtige Ser-Gln-(Glu/Asp)-P C-terminale phosphoryleringsmotiv, hvor P er en hydrofob rest. Option-specifik serin-phosphorylering i dette motiv kan forekomme under dannelsen af DNA-dobbeltstrengsbrud og kan være vigtig for rekruttering og fastholdelse af forskellige kromatin-remodelleringsfaktorer for at fremme reparation af dobbeltstrengsbrud. Et eksempel på et par lavere identitetsvarianter er H2A.L, som kun har 24 % sekvensidentitet med kanonisk H2A [11] .
Det er kendt, at modifikationer over histonvarianter ofte viser sig at være de samme som i deres kanoniske former. For eksempel er Lys4 i H3.3 ofte trimethyleret (H3.3K4me3), mens Lys18 og Lys23 ofte er acetyleret (henholdsvis H3.3K18ac og H3.3K23ac) [12] .
Klassiske histongener er til stede i genomet i flere kopier og er samlet i tandem gentagne klynger. Klyngeorganisationen af kanoniske histongener er karakteristisk for alle flercellede organismer . Hos mennesker er den største klynge af disse gener, kaldet HIST1 og bestående af 55 gener, placeret på kromosom 6 i regionen 6p21-p22. To mindre klynger er placeret på kromosom 1 : 1q21-båndet indeholder HIST2-klyngen, der indeholder 6 histongener, og 1q42-båndet indeholder HIST3-klyngen, der består af tre gener. Uden for de tre klynger beskrevet ovenfor, på kromosom 12 , i 12p13.1-båndet, er der det eneste gen, der koder for den kanoniske kernehiston, HIST4H4-genet, der koder for H4-histonen [13] .
Et karakteristisk træk ved kanoniske histongener er fraværet af introner . Transskription af disse gener sker strengt under S-fasen af cellecyklussen . Messenger-RNA'et af disse gener er ikke polyadenyleret; den 3'-ikke-kodende del af mRNA'et er foldet ind i en stamløkke-sekundær struktur [14] .
I modsætning til kanoniske histongener danner variante histongener ikke klynger, de er spredt ud over genomet, indeholder ofte introner, RNA'et transskriberet fra dem polyadenerer, og transskription sker under hele cellecyklussen.
Bord. menneskelige histongener| superfamilie | Familie | Underfamilie | Gener |
|---|---|---|---|
| Linker histon | |||
| Histone H1 | |||
| H1 variant histoner (H1F underfamilie) | H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX, HILS1 | ||
| Kanoniske histon H1 gener i HIST1 klyngen (H1H1) | HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T | ||
| Kernehistoner | |||
| Histone H2A | |||
| Variant histoner H2A (H2AF) | H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ | ||
| Kanoniske histon H2A gener i HIST1 (H2A1) klyngen | HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM | ||
| Kanoniske histon H2A gener i HIST2 klyngen (H2A2) | HIST2H2AA3, HIST2H2AC | ||
| Histone H2B | |||
| Variant histoner H2B (H2BF) | H2BFM, H2BFS, H2BFWT | ||
| Kanoniske histon H2B gener i HIST1 (H2B1) klyngen | HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H2HBO, HIST1H2BN, HIST1H2BN, HIST | ||
| Kanonisk histon H2A-gen i HIST2-klyngen (H2B2) | HIST2H2BE | ||
| Histone H3 | |||
| Kanoniske histon H3 gener i HIST1 (H3A1) klyngen | HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J | ||
| Kanoniske histon H3 gener i HIST2 klyngen (H3A2) | HIST2H3C | ||
| Kanoniske histon H3 gener i HIST3 klyngen (H3A3) | HIST3H3 | ||
| Histone H4 | |||
| Kanoniske histon H4 gener i HIST1 (H41) klyngen | HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L | ||
| Kanonisk histon H4-gen uden for klynger | HIST4H4 |
Histonerne i oktameren har et mobilt N-terminalt fragment ("hale") på 20 aminosyrer, som rager ud fra nukleosomerne og er vigtigt for at opretholde kromatinstrukturen og kontrollere genekspression. For eksempel er nogle histonmodifikationer ( phosphorylering og acetylering ) kendt for at være lokaliseret overvejende i kromatinregioner med aktive gener [15] [16] , mens deres deacetylering [17] og methylering af polycomb-repressorkomplekset spiller en vigtig rolle i opretholdelsen af pluripotens . og differentiering [18] .
Detaljerne i reguleringsmekanismen er ikke blevet fuldstændig belyst [19] [20] [21] .
Aminosyresekvensen af histoner, det vil sige deres primære struktur, har ændret sig lidt i løbet af evolutionen. Dette ses tydeligt, når man sammenligner aminosyresekvensen af pattedyr-, plante- og gærhistoner. Således adskiller mennesket og hvede H4 sig kun i nogle få aminosyrer. Derudover er størrelsen af proteinmolekylet og dets polaritet nogenlunde konstant. Ud fra dette kan vi konkludere, at histoner blev optimeret tilbage i æraen af den fælles forgænger for dyr, planter og svampe (mere end 700 millioner år siden). Selvom der er forekommet utallige punktmutationer i histongener siden da, førte de alle tilsyneladende til udryddelse af mutante organismer.
| Kromosomer | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hoved | |||||||||||
| Klassifikation | |||||||||||
| Struktur |
| ||||||||||
| Omstrukturering og krænkelser | |||||||||||
| Kromosomal kønsbestemmelse | |||||||||||
| Metoder | |||||||||||