De Histonerne er basiske proteiner, som interagerer med DNA til dannelse nukleosomer, som danner strengene i chromatin bestanddele af kromosomer i eukaryoter.
Nucleosomer, komplekser, der består af DNA og proteiner, blev opdaget i 1974, og det er histoner, der samler dette basale niveau af kromatinorganisation. Eksistensen af histonproteiner har imidlertid været kendt siden før 1960'erne.
Grafisk repræsentation af et nukleosom med et oktamerisk center for histoner og DNA coiled omkring det (Kilde: Jawahar Swaminathan og MSD-personale ved European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
Histoner er organiseret på en sådan måde, at det dobbeltstrengede DNA vikles omkring et proteincenter sammensat af disse proteiner, der interagerer tæt med hinanden. Centrum af histoner er skiveformet, og DNA går omkring 1,7 gange.
Flere hydrogenbindinger tillader DNA at binde til proteincentret dannet af histoner i hvert nukleosom. Disse bindinger dannes for det meste mellem aminosyre-rygrad i histoner og sukker-fosfat-rygraden i DNA. Nogle hydrofobe interaktioner og ioniske bindinger deltager også.
Proteiner kendt som "chromatin-ombygningskomplekser" er ansvarlige for at bryde og danne forbindelsesforbindelserne mellem DNA og histoner, hvilket tillader, at det transkriptionelle maskineri trænger ind i DNA'et indeholdt i nukleosomer.
På trods af nærheden af nukleinsyrer til proteincentret dannet af histoner, er disse arrangeret på en sådan måde, at de om nødvendigt tillader indtræden af transkriptionsfaktorer og andre proteiner relateret til genekspression eller gendæmpning.
Histoner kan gennemgå forskellige modifikationer, der genererer flere varianter, hvilket muliggør eksistensen af mange forskellige former for kromatin, der har egenskaben til at modulere genekspression på forskellige måder.
egenskaber
De er en af de mest konserverede eukaryote proteiner i naturen. For eksempel har æreshiston H4 vist sig at afvige i kun to af de 102 aminosyrepositioner i ko-H4-proteinet.
Histoner er relativt små proteiner med højst 140 aminosyrer. De er rige på basiske aminosyrerester, så de har en nettopositiv ladning, hvilket bidrager til deres interaktion med den negativt ladede nukleinsyre til dannelse af nukleosomer.
Nukleosomale og brodannende histoner er kendt. De nukleosomale histoner er H3, H4, H2A og H2B, medens de bindende histoner hører til familien af histoner H1.
Under nukleosomsamling dannes oprindeligt specifikke dimerer H3-H4 og H2A-H2B. To H3-H4-dimere går derefter sammen og danner tetramere, der senere kombineres med H2A-H2B-dimerer, og danner det octameriske centrum.
Alle histoner syntetiseres hovedsageligt i S-fasen af cellecyklussen, og nukleosomer samles i de begynnende DNA-helixer lige efter replikationsgaflen.
Struktur
Den generelle struktur af histoner inkluderer en basisk aminosyreregion og en kugleformet carboxylregion, der er meget konserveret blandt eukaryote organismer.
Et strukturelt motiv kendt som "histonfoldning", sammensat af tre alfahelixer forbundet med to hårnåle og danner et lille hydrofobt center, er ansvarlig for protein-protein-interaktioner mellem histoner, der udgør nukleosomet.
Det er denne histonfoldning, der danner det kugleformede carboxyldomæne af disse nukleosomale proteiner i alle eukaryoter.
Histoner har også små aminoterminale og andre carboxylterminale (tilgængelige for proteaser) "haler" eller regioner, ikke mere end 40 aminosyrer lange. Begge regioner er rige på basiske aminosyrer, der kan gennemgå flere post-translationelle kovalente modifikationer.
Bindende histoner
I eukaryoter er der to familier af bindende histoner, der er differentieret fra hinanden ved deres struktur. Nogle har en trepartsstruktur med det kugleformede domæne beskrevet ovenfor flankeret af "ustrukturerede" N- og C-terminale domæner; mens andre kun har et C-terminal domæne.
Selvom de fleste histoner er konserverede, kan der under embryogenese eller modning af specialiserede celler i nogle organismer opstå nogle specifikke varianter. Nogle strukturelle variationer har at gøre med post-translationelle ændringer, såsom følgende:
- Phosforylering: det menes at være relateret til ændring af graden af kondensation af kromatin, og det forekommer ofte i serinrester.
- Acetylering: forbundet med kromosomale regioner, der er transkriptionelt aktive. Det forekommer normalt på sidekæderne af lysinrester. Når det forekommer på disse rester, falder deres positive ladning, hvorved proteinernes affinitet til DNA reduceres.
- Methylering: kan forekomme som mono-, di- eller trimethylering af lysinrester, der stikker frem fra proteinkernen.
Specifikke enzymer er ansvarlige for at foretage disse kovalente modifikationer i histoner. Disse enzymer inkluderer histonacetyltransferaser (HAT'er), histondeacetylasekomplekser (HDAC'er) og histonmethyltransferaser og demethylaser.
typer
Karakteriseringen af histoner er blevet udført ved forskellige biokemiske teknikker, blandt hvilke de kromatografier, der er baseret på svage kationbytterharpikser, skiller sig ud.
Visse forfattere etablerer en form for klassificering, hvor 5 hovedtyper af histoner adskilles i eukaryoter: FI med 21 kDa proteiner; F2A1 eller FIV, plus eller minus 11,3 kDa; F2A2 eller FIIbI, 14,5 kDa; F2B eller FIIb2 med en molekylvægt på 13,7 kDa og F3 eller FIII på 15,3 kDa.
Alle disse typer histoner med undtagelse af IF-gruppen findes i ækvimolære mængder i celler.
En anden klassificering, med den samme gyldighed og måske den mest anvendte på nuværende tidspunkt, foreslår eksistensen af to forskellige typer histoner, nemlig: dem, der er en del af nukleosomets octamer og de bindende eller brodannende histoner, der slutter sig til nukleosomerne mellem Ja.
Nogle varianter kan også forekomme mellem arter og i modsætning til kernehistoner syntetiseres varianter under interfase og indsættes i præformet kromatin gennem en proces afhængig af energien frigivet fra ATP hydrolyse.
Nukleosomale histoner
Centret i et nukleosom består af et par af hver af de fire bestanddele histoner: H2a, H2b, H3 og H4; hvorpå DNA-segmenter på ca. 145 basepar pareres.
Histoner H4 og H2B er principielt ufravigelige. Nogle variationer er imidlertid tydelige i histoner H3 og H2A, hvis biofysiske og biokemiske egenskaber ændrer nukleosomets normale karakter.
En variant af histon H2A hos mennesker, H2A.Z-proteinet besidder et stort surt område og kan fremme nukleosomstabilitet afhængigt af histon H3-varianterne, som det er forbundet med.
Disse histoner viser en vis variation mellem arter, og et specielt tilfælde er histon H2B, for hvilken den første tredjedel af molekylet er meget variabel.
Bindende histoner
De bindende eller brodannende histoner er klasse H1-histoner. Disse er ansvarlige for sammenhængen mellem nukleosomer og beskyttelsen af det DNA, der stikker ud i begyndelsen og i slutningen af hver partikel.
I modsætning til nukleosomale histoner har ikke alle H1-typen histoner den kugleformede region af histonen "fold". Disse proteiner binder til DNA mellem nukleosomer, hvilket letter en forskydning i kromatinbalancen mod en mere kondenseret og mindre aktiv tilstand, transkriptionelt set.
Undersøgelser har knyttet disse histoner til aldring, DNA-reparation og apoptotiske processer, hvorfor de menes at spille en afgørende rolle for at opretholde genomisk integritet.
Funktioner
Alle aminosyrerester af histoner deltager på en eller anden måde i deres interaktion med DNA, hvilket forklarer det faktum, at de er så bevaret blandt eukaryote organismeres kongeriger.
Deltagelse af histoner i emballagen af DNA i form af kromatin er af stor relevans for komplekse multicellulære organismer, hvor forskellige cellelinjer kun kan specialiseres ved at ændre deres generes tilgængelighed til det transkriptionelle maskineri.
Transkriptionelt aktive genomiske regioner er tætte i nukleosomer, hvilket antyder, at forbindelsen af DNA med histonproteiner er afgørende for den negative eller positive regulering af deres transkription.
Ligeledes afhænger reaktionen på et stort antal stimuli, både internt og eksternt, gennem hele en celles levetid af små ændringer i kromatin, som normalt har at gøre med ombygning og post-translationel modifikation af de histoner, der findes i tæt forhold til DNA.
Flere histonvariabler tjener forskellige funktioner i eukaryoter. En af dem har at gøre med deltagelse af en variant af histon H3 i dannelsen af de centromere strukturer, der er ansvarlige for segregeringen af kromosomer under mitose.
Modstykke til dette protein i andre eukaryoter har vist sig at være essentielt til samlingen af proteinkinetochoren, som spindelmikrotubulier binder under mitose og meiose.
Referencer
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Molecular Biology of the Cell (6. udg.). New York: Garland Science.
- Campos, EI, & Reinberg, D. (2009). Histoner: Annotering af Chromatin. Annu. Præsten Genet., 43, 559–599.
- Harvey, AC, & Downs, JA (2004). Hvilke funktioner leverer linkerhistoner? Molecular Microbiology, 53, 771–775.
- Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Samling af varianthistoner i Chromatin. Annu. Pastor Cell. Dev. Biol., 21, 133-153.
- Isenberg, I. (1979). Histoner. Annu. Præsten Biochem., 48, 159–191.
- Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974). Kromatinstruktur: Oligomerer af histoner. Science, 184 (4139), 865-868.
- Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). Histonernes kemi og biologi. Fysiologiske anmeldelser, 50 (2), 159-170.