ГІСТОНИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, ТИПИ ТА ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

У гістони є основними білками , які взаємодіють з ДНК з утворенням нуклеосом, які утворюють нитки хроматину складових хромосом у еукаріотів.

Нуклеосоми, комплекси, що складаються з ДНК і білків, були виявлені в 1974 році, і саме гістони складають цей базовий рівень організації хроматину. Однак про існування гістонових білків відомо ще до 1960-х років.

Графічне зображення нуклеосоми з октамерним центром гістонів та ДНК, накрученими навколо неї (Джерело: Джавахар Свамінанатан та співробітники MSD в Європейському інституті біоінформатики через Wikimedia Commons)

Гістони організовані таким чином, що дволанцюгова ДНК обгортається навколо білкового центру, що складається з цих білків, які тісно взаємодіють один з одним. Центр гістонів має дископодібну форму, а ДНК іде приблизно в 1,7 рази.

Множинні водневі зв’язки дозволяють ДНК зв’язуватися з білковим центром, утвореним гістонами у кожній нуклеосомі. Ці зв’язки утворюються, здебільшого, між амінокислотними кістками гістонів та цукро-фосфатною основою ДНК. Деякі гідрофобні взаємодії та іонні зв’язки також беруть участь.

Білки, відомі як "комплекси ремоделювання хроматину", відповідають за руйнування та формування сполучних зв'язків між ДНК та гістонами, дозволяючи транскрипційним механізмам потрапляти в ДНК, що міститься в нуклеосомах.

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

Гістони можуть зазнавати різних модифікацій, що генерують кілька варіантів, що робить можливим існування безлічі різних форм хроматину, які мають властивість модулювати експресію генів різними способами.

характеристики

Вони є одним з найбільш збережених еукаріотичних білків у природі. Наприклад, показано, що гістон гороху H4 відрізняється лише у двох із 102 амінокислотних позицій коров'ячого білка H4.

Гістони відносно невеликі білки, що містять не більше 140 амінокислот. Вони багаті основними залишками амінокислот, тому мають чистий позитивний заряд, що сприяє їх взаємодії з негативно зарядженою нуклеїновою кислотою з утворенням нуклеосом.

Нуклеосомні та мостикові гістони відомі. Нуклеосомні гістони - H3, H4, H2A і H2B, тоді як зв'язуючі гістони належать до сімейства гістонів H1.

Під час складання нуклеосом спочатку утворюються специфічні димери H3-H4 та H2A-H2B. Два димери H3-H4 з'єднуються разом, утворюючи тетрамери, які згодом поєднуються з димерами H2A-H2B, утворюючи октамерний центр.

Усі гістони синтезуються переважно під час S фази клітинного циклу, а нуклеосоми збираються в зароджувані спіралі ДНК, відразу після вилки реплікації.

Будова

Загальна структура гістонів включає в себе основну амінокислотну область і кулеподібну карбоксильну область, яка дуже зберігається серед еукаріотичних організмів.

Структурний мотив, відомий як «гістонна складка», складається з трьох альфа-спіралей, з'єднаних двома шпильками і утворюючи невеликий гідрофобний центр, відповідає за білково-білкові взаємодії між гістонами, що складають нуклеосому.

Саме ця складка гістонів складає глобулярний карбоксильний домен цих нуклеосомних білків у всіх еукаріотів.

Гістони також мають невеликі «хвости» або аміно-кінцеві та інші карбокси-кінцеві ділянки (доступні протеазам), довжиною не більше 40 амінокислот. Обидві області багаті основними амінокислотами, які можуть зазнати безлічі посттрансляційних ковалентних модифікацій.

Пов’язування гістонів

У еукаріотів є два сімейства зв'язуючих гістонів, диференційованих один від одного за своєю будовою. Деякі мають тристоронню структуру, причому глобулярний домен, описаний вище, облямований "неструктурованими" N- та С-кінцевими доменами; а інші мають лише C-термінальний домен.

Хоча більшість гістонів зберігаються, специфічні варіанти можуть виникати під час ембріогенезу або дозрівання спеціалізованих клітин у деяких організмах. Деякі структурні варіації пов'язані з пост-трансляційними модифікаціями, такими як:

- Фосфорилювання : вважається, що воно пов'язане із зміною ступеня конденсації хроматину, і воно зазвичай відбувається в залишках серину.

- Ацетилювання : пов'язане з хромосомними ділянками, які транскрипційно активні. Зазвичай він зустрічається на бічних ланцюгах залишків лізину. У міру виникнення цих залишків їх позитивний заряд зменшується, тим самим знижуючи спорідненість білків до ДНК.

- Метилювання : може відбуватися як моно-, ди- або триметилювання залишків лізину, що виступають з білкового ядра.

Спеціальні ферменти відповідають за внесення цих ковалентних модифікацій у гістони. Ці ферменти включають гістон-ацетил-трансферази (HATs), гістонові деацетилазні комплекси (HDAC) та гістон-метилтрансферази та деметилази.

Типи

Характеризацію гістонів здійснювали різні біохімічні методи, серед яких виділяються хроматографії, засновані на слабких катіонообмінних смолах.

Окремі автори встановлюють форму класифікації, в якій у еукаріотів виділяють 5 основних типів гістонів: FI, з 21 кДа білками; F2A1 або FIV плюс-мінус 11,3 кДа; F2A2 або FIIbI, 14,5 кДа; F2B або FIIb2, молекулярна маса 13,7 кДа, і F3 або FIII, 15,3 кДа.

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

Інша класифікація, що має таку ж валідність і, мабуть, найбільш широко застосовується в даний час, пропонує існування двох різних типів гістонів, а саме: тих, що входять до складу октамера нуклеосоми, і зв'язуючих або зближуючих гістонів, які приєднуються до нуклеосом між так.

Деякі варіанти також можуть зустрічатися між видами, і на відміну від основних гістонів, варіанти синтезуються під час інтерфази та вставляються в попередньо формований хроматин шляхом процесу, залежного від енергії, що виділяється при гідролізі АТФ.

Нуклеосомні гістони

Центр нуклеосоми складається з пари кожного з чотирьох складових гістонів: H2a, H2b, H3 і H4; на яких намотані сегменти ДНК, що складають близько 145 пар основ.

Гістони H4 і H2B, в принципі, інваріантні. Деякі зміни очевидні в гістонах H3 та H2A, біофізичні та біохімічні властивості яких змінюють нормальну природу нуклеосоми.

Варіант гістону H2A у людини, білок H2A.Z має велику кислу область і може сприяти стабільності нуклеосоми залежно від варіантів гістону H3, з яким він асоціюється.

Ці гістони демонструють певну мінливість між видами, особливий випадок - гістону H2B, для якого перша третина молекули сильно мінлива.

Пов’язування гістонів

Гістони, що зв'язують або з'єднують, - це гістони класу H1. Вони відповідають за об'єднання між нуклеосомами і захист ДНК, що виступає на початку і в кінці кожної частинки.

На відміну від нуклеосомних гістонів, не всі гістони типу H1 мають глобулярну область гістонної "складки". Ці білки зв'язуються з ДНК між нуклеосомами, полегшуючи зміщення балансу хроматину у бік більш згущеного та менш активного стану, транскрипційно кажучи.

Дослідження пов'язують ці гістони зі старінням, відновленням ДНК та апоптотичними процесами, саме тому, як вважають, вони відіграють вирішальну роль у підтримці геномної цілісності.

Особливості

Усі амінокислотні залишки гістонів, так чи інакше, беруть участь у їх взаємодії з ДНК, що пояснює той факт, що вони так зберігаються серед царства еукаріотичних організмів.

Участь гістонів в упаковці ДНК у вигляді хроматину має велике значення для складних багатоклітинних організмів, в яких різні клітинні лінії можуть спеціалізуватися лише змінюючи доступність своїх генів до механізму транскрипції.

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

Так само протягом усього життя клітини реакція на велику кількість подразників, як внутрішніх, так і зовнішніх, залежить від невеликих змін хроматину, які зазвичай мають відношення до ремоделювання та посттрансляційної модифікації гістонів, виявлених у тісний зв’язок з ДНК.

Кілька змінних гістонів виконують різні функції в еукаріотів. Одне з них пов'язане з участю варіанту гістону Н3 у формуванні центромерних структур, що відповідають за сегрегацію хромосом під час мітозу.

Показано, що аналог цього білка в інших еукаріотів є важливим для збору білкової кінетохори, до якої зв'язуються веретенові мікротрубочки під час мітозу та мейозу.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Молекулярна біологія клітини (6-е видання). Нью-Йорк: Гарленд Наука.
2. Campos, EI, & Reinberg, D. (2009). Гістони: Хроматин, що коментує. Ану. Преподобний Генет. , 43, 559–599.
3. Harvey, AC, & Downs, JA (2004). Які функції надають гістони лінкера? Молекулярна мікробіологія, 53, 771–775.
4. Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Складання варіантів гістонів в хроматин. Ану. Преподобна клітина. Dev. Biol., 21, 133-153.
5. Ізенберг, І. (1979). Гістони. Ану. Преподобний Біохім. , 48, 159–191.
6. Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974). Хроматинова структура: олігомери гістонів. Наука, 184 (4139), 865-868.
7. Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). Хімія та біологія гістонів. Фізіологічні огляди, 50 (2), 159–170.