De histoner er basiske proteiner som interagerer med DNA for å danne nucleosomes, som danner trådene i kromatin bestanddeler av kromosomer i eukaryoter.
Nukleosomer, komplekser bestående av DNA og proteiner, ble oppdaget i 1974, og det er histoner som samler dette basale nivået av kromatinorganisasjon. Eksistensen av histonproteiner har imidlertid vært kjent siden før 1960-tallet.
Grafisk fremstilling av et nukleosom med et oktamerisk senter for histoner og DNA kveilet rundt seg (Kilde: Jawahar Swaminathan og MSD-ansatte ved European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
Histoner er organisert på en slik måte at dobbeltstrenget DNA vikler seg rundt et proteinsenter som er sammensatt av disse proteiner som interagerer tett med hverandre. Sentrum av histoner er skiveformet, og DNA går rundt 1,7 ganger.
Flere hydrogenbindinger lar DNA binde seg til proteinsenteret dannet av histonene i hvert nukleosom. Disse bindingene dannes for det meste mellom aminosyreryggbenene i histoner og sukkerfosfatryggraden i DNA. Noen hydrofobe interaksjoner og ioniske bindinger deltar også.
Proteiner kjent som "kromatin-ombyggingskomplekser" er ansvarlige for å bryte og danne forbindelsesforbindelsene mellom DNA og histoner, slik at transkripsjonsmaskineriet kan komme inn i DNA-et i nukleosomer.
Til tross for nærheten av nukleinsyrer til proteinsenteret som er dannet av histoner, er disse ordnet på en slik måte at de om nødvendig tillater inntreden av transkripsjonsfaktorer og andre proteiner relatert til genuttrykk eller genstille. .
Histoner kan gjennomgå forskjellige modifikasjoner som genererer flere varianter, noe som muliggjør eksistensen av mange forskjellige former for kromatin som har egenskapen til å modulere genuttrykk på forskjellige måter.
kjennetegn
De er en av de mest konserverte eukaryote proteiner i naturen. For eksempel er det vist at ert histon H4 er forskjellig i bare to av de 102 aminosyrestillingene til ku-H4-proteinet.
Histoner er relativt små proteiner, med ikke mer enn 140 aminosyrer. De er rike på basiske aminosyrerester, så de har en netto positiv ladning, noe som bidrar til deres interaksjon med den negativt ladede nukleinsyren for å danne nukleosomer.
Nukleosomale og brodannende histoner er kjent. De nukleosomale histonene er H3, H4, H2A og H2B, mens de bindende histonene tilhører familien av histoner H1.
Under nukleosomsamling dannes utgangspunktet spesifikke dimerer H3-H4 og H2A-H2B. To H3-H4-dimerer går deretter sammen og danner tetramere som senere kombineres med H2A-H2B-dimerer, og danner det oktameriske senteret.
Alle histoner syntetiseres først og fremst under S-fasen av cellesyklusen, og nukleosomer blir samlet i de begynnende DNA-helixene, like etter replikasjonsgaffelen.
Struktur
Den generelle strukturen av histoner inkluderer en basisk aminosyreregion og en kulekarboksylregion som er meget konservert blant eukaryote organismer.
Et strukturelt motiv kjent som "histonfold", sammensatt av tre alfahelixer forbundet med to hårnåler og danner et lite hydrofobt senter, er ansvarlig for protein-protein-interaksjoner mellom histonene som utgjør nukleosomet.
Det er denne folden av histoner som utgjør det kulekarboksyldomenet til disse nukleosomale proteiner i alle eukaryoter.
Histoner har også små "haler" eller aminoterminale og andre karboksylterminale regioner (tilgjengelig for proteaser), ikke mer enn 40 aminosyrer lange. Begge regioner er rike på basiske aminosyrer som kan gjennomgå flere kovalente post-translasjonelle modifikasjoner.
Bindende histoner
I eukaryoter er det to familier med bindende histoner, differensiert fra hverandre etter deres struktur. Noen har en trepartsstruktur, med det kuleformede domenet beskrevet ovenfor flankert av "ustrukturerte" N- og C-terminale domener; mens andre bare har et C-terminal domene.
Selv om de fleste histoner er konserverte, kan spesifikke varianter oppstå under embryogenese eller modning av spesialiserte celler i noen organismer. Noen strukturelle variasjoner har å gjøre med modifiseringer etter translasjon som for eksempel:
- Fosforylering : det antas å være relatert til modifisering av graden av kondensering av kromatin, og det forekommer ofte i serinrester.
- Acetylering : assosiert med kromosomale regioner som er transkripsjonelt aktive. Det forekommer normalt på sidekjedene til lysinrester. Når det forekommer på disse restene, reduseres deres positive ladning, og reduserer dermed affiniteten til proteiner for DNA.
- Metylering : kan skje som mono-, di- eller trimetylering av lysinrester som stikker ut fra proteinkjernen.
Spesifikke enzymer er ansvarlige for å gjøre disse kovalente modifikasjonene i histoner. Disse enzymene inkluderer histonacetyltransferaser (HAT), histondeacetylasekomplekser (HDAC) og histonmetyltransferaser og demetylaser.
typer
Karakteriseringen av histoner er blitt utført ved forskjellige biokjemiske teknikker, der kromatografiene som er basert på svake kationbytterharpikser skiller seg ut.
Enkelte forfattere etablerer en form for klassifisering der 5 hovedtyper av histoner skilles ut i eukaryoter: FI, med 21 kDa proteiner; F2A1 eller FIV, på pluss eller minus 11,3 kDa; F2A2 eller FIIbI, 14,5 kDa; F2B eller FIIb2, med en molekylvekt på 13,7 kDa, og F3 eller FIII, på 15,3 kDa.
Alle disse typene histoner, med unntak av IF-gruppen, finnes i ekvimolare mengder i celler.
En annen klassifisering, med samme gyldighet og kanskje den mest brukte for tiden, foreslår eksistensen av to forskjellige typer histoner, nemlig: de som er en del av oktameren til nukleosomet og de bindende eller brodannende histonene, som blir med i nukleosomene mellom ja.
Noen varianter kan også forekomme mellom arter og i motsetning til kjernehistoner blir varianter syntetisert under interfase og ført inn i preformet kromatin gjennom en prosess avhengig av energien som frigjøres fra ATP-hydrolyse.
Nukleosomale histoner
Sentrum av et nukleosom består av et par av hver av de fire bestanddelene histoner: H2a, H2b, H3 og H4; hvorpå DNA-segmenter på rundt 145 basepar blir såret.
Histoner H4 og H2B er i prinsippet ufravikelige. Noen variasjoner er imidlertid tydelige i histoner H3 og H2A, hvis biofysiske og biokjemiske egenskaper endrer nukleosomets normale natur.
H2A.Z-proteinet er en variant av histon H2A hos mennesker, og har et stort surt område og kan fremme nukleosomstabilitet avhengig av histon H3-variantene det er assosiert med.
Disse histonene viser en viss variasjon mellom arter, og et spesielt tilfelle er histon H2B, hvor den første tredjedelen av molekylet er veldig variabel.
Bindende histoner
Bindings- eller brodannende histoner er klasse H1-histoner. Disse er ansvarlige for foreningen mellom nukleosomer og beskyttelsen av DNA som stikker ut i begynnelsen og på slutten av hver partikkel.
I motsetning til nukleosomale histoner, har ikke alle histoner av H1 den kule regionen av histon "fold". Disse proteinene binder seg til DNA mellom nukleosomer, noe som letter en forskyvning i kromatinbalansen mot en mer kondensert og mindre aktiv tilstand, transkripsjonelt sett.
Studier har koblet disse histonene til aldring, DNA-reparasjon og apoptotiske prosesser, og det er grunnen til at de antas å spille en avgjørende rolle i å opprettholde genomisk integritet.
Egenskaper
Alle aminosyrerester av histoner deltar på en eller annen måte i sin interaksjon med DNA, noe som forklarer det faktum at de er så bevart blant kongedømmene til eukaryote organismer.
Deltagelse av histoner i pakking av DNA i form av kromatin er av stor relevans for komplekse flercellede organismer der forskjellige cellelinjer bare kan spesialisere seg ved å endre tilgjengeligheten til genene til transkripsjonsmaskineriet.
De transkripsjonelt aktive genomiske regionene er tette i nukleosomer, noe som antyder at assosiasjonen av DNA med histonproteiner er avgjørende for negativ eller positiv regulering av transkripsjonen deres.
På samme måte avhenger responsen på et stort antall stimuli, både indre og eksterne, gjennom en celles levetid av små endringer i kromatin, som normalt har å gjøre med ombygging og post-translasjonsmodifisering av histonene som finnes i nært forhold til DNA.
Flere histonvariabler tjener forskjellige funksjoner i eukaryoter. En av dem har å gjøre med deltagelse av en variant av histon H3 i dannelsen av de sentromere strukturer som er ansvarlige for segregeringen av kromosomer under mitose.
Motstykket til dette proteinet i andre eukaryoter har vist seg å være essensielt for sammensetningen av proteinkinetokoren som spindelmikrotubuli binder under mitose og meiose.
referanser
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Molecular Biology of the Cell (6. utg.). New York: Garland Science.
- Campos, EI, & Reinberg, D. (2009). Histoner: Annotering av Chromatin. Annu. Pastor Genet. , 43, 559–599.
- Harvey, AC, & Downs, JA (2004). Hvilke funksjoner gir linkerhistoner? Molecular Microbiology, 53, 771–775.
- Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Samling av varianthistoner i Chromatin. Annu. Pastor Cell. Dev. Biol., 21, 133-153.
- Isenberg, I. (1979). Histoner. Annu. Pastor Biochem. , 48, 159–191.
- Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974). Kromatinstruktur: Oligomerer av histonene. Science, 184 (4139), 865-868.
- Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). Histoneres kjemi og biologi. Fysiologiske anmeldelser, 50 (2), 159–170.