V histona so osnovne beljakovine, interakcijo z DNA, da nastane nukleosome, ki se tvori v pramenih kromatin sestavin kromosomov v evkariontih.
Leta 1974 so odkrili nukleozome, komplekse, sestavljene iz DNK in proteinov. To bazalno raven organizacije kromatina sestavljajo histoni. Vendar pa je obstoj histonskih beljakovin znan že pred 60. leti.
Grafični prikaz nukleozoma z oktamernim središčem histonov in DNK, naopačenimi okoli njega (Vir: Jawahar Swaminathan in osebje MSD na Evropskem inštitutu za bioinformatiko prek Wikimedia Commons)
Histoni so organizirani tako, da se dvoverižna DNA ovije okoli beljakovinskega središča, sestavljenega iz teh beljakovin, ki tesno sodelujejo med seboj. Središče histonov je v obliki diska, DNK pa gre približno 1,7-krat.
Več vodikovih vezi omogoča, da se DNK veže na beljakovinski center, ki ga tvorijo histoni v vsakem nukleosomu. Te vezi nastajajo večinoma med aminokislinskimi hrbtenicami histonov in sladkorno-fosfatno hrbtenico DNK. Sodelujejo tudi nekatere hidrofobne interakcije in ionske vezi.
Beljakovine, znane kot "kompleksi za remodeliranje kromatina", so odgovorni za pretrganje in oblikovanje stičnih povezav med DNK in histoni, kar omogoča, da transkripcijski stroji vstopijo v DNK, vsebovan v nukleosomih.
Kljub bližini nukleinskih kislin do beljakovinskega središča, ki ga tvorijo histoni, so ti razporejeni tako, da po potrebi omogočajo vnos transkripcijskih faktorjev in drugih beljakovin, povezanih z izražanjem genov ali utišanjem genov .
Histoni so lahko podvrženi različnim spremembam, ki ustvarjajo več različic, kar omogoča obstoj številnih različnih oblik kromatina, ki imajo lastnost moduliranja genske ekspresije na različne načine.
značilnosti
So ena najbolj ohranjenih evkariontskih beljakovin v naravi. Na primer, pokazalo se je, da se grah histon H4 razlikuje le v dveh od 102 položaja aminokislin kravjega H4 proteina.
Histoni so sorazmerno majhni beljakovine, ki nimajo več kot 140 aminokislin. So bogati z osnovnimi aminokislinskimi ostanki, zato imajo neto pozitiven naboj, kar prispeva k njihovi interakciji z negativno nabito nukleinsko kislino in tvorijo nukleosome.
Znani so nukleozomski in premostitveni histoni. Nukleozomski histoni so H3, H4, H2A in H2B, medtem ko vezni histoni pripadajo družini histonov H1.
Med nukleozomskim sestavljanjem se sprva oblikujejo specifični dimerji H3-H4 in H2A-H2B. Dva dimera H3-H4 se nato združita, da tvorita tetramere, ki se kasneje združijo z dimerji H2A-H2B in tvorijo oktamerno središče.
Vsi histoni se sintetizirajo večinoma med S fazo celičnega cikla, nukleozomi pa so sestavljeni v vijakih, ki se pojavljajo v DNK, takoj po vilici za replikacijo.
Struktura
Splošna struktura histonov vključuje osnovno aminokislinsko regijo in kroglasto karboksilno regijo, ki je zelo ohranjena med evkariontskimi organizmi.
Strukturni motiv, znan kot "histonski pregib", sestavljen iz treh alfa vijačnic, povezanih med dvema lasnicama in tvorita majhen hidrofobni center, je odgovoren za beljakovinsko-beljakovinske interakcije med histoni, ki sestavljajo nukleosom.
Prav ta pregib histonov tvori globulno karboksilno domeno teh nukleozomskih beljakovin v vseh evkariotih.
Histoni imajo tudi majhne "repove" ali amino-terminale in druge karboksilne-terminalne regije (dostopne proteazam), dolge največ 40 aminokislin. Obe regiji sta bogati z osnovnimi aminokislinami, ki se lahko podvržejo več posttralacijskim kovalentnim spremembam.
Vezavni histoni
V evkariontih obstajata dve družini vezavnih histonov, ki se med seboj razlikujejo po zgradbi. Nekateri imajo tristransko strukturo, pri čemer je kroglasta domena, opisana zgoraj, obkrožena z "nestrukturiranimi" N- in C-terminalnimi domenami; drugi pa imajo samo C-terminalno domeno.
Čeprav je večina histonov ohranjenih, se med embriogenezo ali zorenjem specializiranih celic v nekaterih organizmih lahko pojavijo posebne različice. Nekatere strukturne različice so povezane s posttralacijskimi spremembami, kot so naslednje:
- fosforilacija : domneva se, da je povezana s spremembo stopnje kondenzacije kromatina in se običajno pojavlja v serinskih ostankih.
- Acetilacija : povezana s kromosomskimi regijami, ki so transkripcijsko aktivne. Običajno se pojavi na stranskih verigah ostankov lizina. Ko se pojavi na teh ostankih, se njihov pozitivni naboj zmanjša, s čimer se zmanjša afiniteta beljakovin za DNK.
- Metilacija : lahko poteka kot mono-, di- ali trimetilacija ostankov lizina, ki štrlijo iz beljakovinskega jedra.
Za nastanek teh kovalentnih sprememb v histonih so odgovorni specifični encimi. Ti encimi vključujejo histon acetil transferaze (HAT), komplekse histon deacetilaze (HDAC) ter histon metiltransferaze in demetilaze.
Vrste
Karakterizacijo histonov smo izvedli z različnimi biokemijskimi tehnikami, med katerimi izstopajo kromatografije, ki temeljijo na šibkih kationskih izmenjevalnih smolah.
Nekateri avtorji vzpostavijo obliko razvrstitve, v kateri v evkariotih ločimo 5 glavnih vrst histonov: FI z 21 kDa proteini; F2A1 ali FIV, plus ali minus 11,3 kDa; F2A2 ali FIIbI, 14,5 kDa; F2B ali FIIb2 z molekulsko maso 13,7 kDa in F3 ali FIII 15,3 kDa.
Vse te vrste histonov, razen skupine IF, najdemo v ekvimolarnih količinah v celicah.
Druga klasifikacija, z enako veljavnostjo in morda najbolj razširjena trenutno, predlaga obstoj dveh različnih vrst histonov, in sicer: tisti, ki so del oktamera nukleozoma in vezni ali premostitveni histoni, ki se pridružijo nukleozomom med da.
Nekatere variante se lahko pojavijo tudi med vrstami in za razliko od jedrnih histonov se variante sintetizirajo med interfazo in se vstavijo v predoblikovani kromatin s postopkom, ki je odvisen od energije, sproščene iz hidrolize ATP.
Nukleozomski histoni
Središče nukleosoma je sestavljeno iz para vsakega od štirih sestavnih histonov: H2a, H2b, H3 in H4; na katerih je navitih segmentov DNK približno 145 baznih parov.
Histona H4 in H2B sta načeloma invariantna. Nekaj sprememb pa je očitno pri histonih H3 in H2A, katerih biofizikalne in biokemijske lastnosti spreminjajo normalno naravo nukleosoma.
Različica histona H2A pri človeku ima protein H2A.Z veliko kislo območje in lahko spodbuja stabilnost nukleozomov, odvisno od različice histona H3, s katerim je povezan.
Ti histoni kažejo nekaj variabilnosti med vrstami, poseben primer je histon H2B, pri katerem je prva tretjina molekule zelo spremenljiva.
Vezavni histoni
Vezni ali premostitveni histoni so histoni razreda H1. Ti so odgovorni za zvezo med nukleosomi in zaščito DNK, ki štrli na začetku in na koncu vsakega delca.
Za razliko od nukleozomskih histonov nimajo vsi histoni tipa H1 globularno območje "gube" histona. Ti proteini se vežejo na DNK med nukleozomi, kar olajša premik kromatinskega ravnovesja v bolj zgoščeno in manj aktivno stanje, transkripcijsko gledano.
Študije so te histone povezale s procesi staranja, popravljanjem DNK in apoptotičnimi procesi, zato naj bi igrali ključno vlogo pri ohranjanju genomske celovitosti.
Lastnosti
Vsi aminokislinski ostanki histonov tako ali drugače sodelujejo v njihovi interakciji z DNK, kar razlaga dejstvo, da so tako ohranjeni med kraljestvi evkariontskih organizmov.
Udeležba histonov v pakiranju DNK v obliki kromatina ima velik pomen za zapletene večcelične organizme, pri katerih se lahko različne celične linije specializirajo le s spreminjanjem dostopnosti njihovih genov do transkripcijskih strojev.
Transkripcijsko aktivna genomska območja so gosta v nukleosomih, kar kaže na to, da je povezanost DNK s proteini histona ključnega pomena za negativno ali pozitivno regulacijo njihovega prepisa.
Prav tako je skozi celotno življenjsko dobo celice odziv na veliko število notranjih in zunanjih dražljajev odvisen od majhnih sprememb kromatina, ki so običajno povezane s preoblikovanjem in posttralacijskim spreminjanjem histonov, ki jih najdemo v tesno povezanost z DNK.
Številne spremenljivke histona služijo različnim funkcijam v evkariontih. Ena od njih je povezana s sodelovanjem variante histona H3 pri tvorbi centromernih struktur, odgovornih za segregacijo kromosomov med mitozo.
Pokazalo se je, da je ta beljakovina v drugih evkariotih bistvenega pomena za sestavljanje beljakovinskega kinetohora, na katerega se vretenaste mikrotubule vežejo med mitozo in mejozo.
Reference
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Molekularna biologija celice (6. izd.). New York: Garland Science.
- Campos, EI in Reinberg, D. (2009). Histoni: Kromatin, ki označuje. Annu Rev. Genet. , 43, 559–599.
- Harvey, AC, & Downs, JA (2004). Katere funkcije omogočajo povezovalni histoni? Molekularna mikrobiologija, 53, 771–775.
- Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Sestavljanje variantnih histonov v kromatin. Annu Rev. celica. Dev. Biol., 21, 133–153.
- Isenberg, I. (1979). Histoni. Annu Rev. Biochem. , 48, 159–191.
- Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974). Kromatinska struktura: oligomeri histonov. Znanost, 184 (4139), 865–868.
- Smith, E., DeLange, R., in Bonner, J. (1970). Kemija in biologija histonov. Fiziološki pregledi, 50 (2), 159–170.