Tyto histony jsou základní proteiny, které interagují s DNA za vzniku nukleosomy, které tvoří vlákna chromatinu složek chromozómů v eukaryot.
Nukleozomy, komplexy tvořené DNA a proteiny, byly objeveny v roce 1974 a tuto základní úroveň organizace chromatinu tvoří histony. Existence histonových proteinů je však známa již před šedesátými léty.
Grafické znázornění nukleosomu s oktamerickým centrem histonů a DNA kolem něj navinuté (Zdroj: Jawahar Swaminathan a pracovníci MSD v Evropském institutu bioinformatiky prostřednictvím Wikimedia Commons)
Histony jsou uspořádány tak, že dvouvláknová DNA se obaluje kolem proteinového centra složeného z těchto proteinů, které spolu úzce interagují. Střed histonů je ve tvaru disku a DNA se pohybuje kolem 1,7krát.
Více vodíkových vazeb umožňuje DNA vázat se na proteinové centrum tvořené histony v každém nukleosomu. Tyto vazby jsou z velké části tvořeny mezi aminokyselinovými kostry histonů a kostry cukru a fosfátů DNA. Účastní se také některé hydrofobní interakce a iontové vazby.
Proteiny známé jako "chromatinové remodelační komplexy" jsou zodpovědné za rozbití a vytvoření spojovacích spojení mezi DNA a histony, což umožňuje transkripčnímu stroji vstoupit do DNA obsažené v nukleosomech.
Navzdory blízkosti nukleových kyselin k proteinovému centru tvořenému histony jsou tyto uspořádány tak, že v případě potřeby umožňují vstup transkripčních faktorů a dalších proteinů souvisejících s expresí genu nebo umlčením genu.
Histony mohou podstoupit různé modifikace, které generují více variant, což umožňuje existenci mnoha různých forem chromatinu, které mají vlastnost modulace genové exprese různými způsoby.
vlastnosti
Jsou jedním z nejvíce konzervovaných eukaryotických proteinů v přírodě. Ukázalo se například, že hrášek histon H4 se liší pouze ve dvou ze 102 aminokyselinových pozic proteinu kravského H4.
Histony jsou relativně malé proteiny, které neobsahují více než 140 aminokyselin. Jsou bohaté na bazické aminokyselinové zbytky, takže mají čistý kladný náboj, který přispívá k jejich interakci s negativně nabitou nukleovou kyselinou za vzniku nukleosomů.
Nukleozomální a můstkové histony jsou známy. Nukleozomální histony jsou H3, H4, H2A a H2B, zatímco vazebné histony patří do rodiny histonů H1.
Během sestavování nukleosomů se nejprve vytvoří specifické dimery H3-H4 a H2A-H2B. Dva dimery H3-H4 se pak spojí a vytvoří tetramery, které se později kombinují s dimery H2A-H2B a vytvoří oktamerové centrum.
Všechny histony jsou syntetizovány hlavně během fáze S buněčného cyklu a nukleosomy jsou sestaveny v rodících se helixech DNA, hned po replikační vidličce.
Struktura
Obecná struktura histonů zahrnuje bazickou aminokyselinovou oblast a globulární karboxylovou oblast vysoce konzervovanou mezi eukaryotickými organismy.
Strukturální motiv známý jako „histone fold“, složený ze tří alfa helixů spojených dvěma vlásenky a vytvářejících malé hydrofobní centrum, je zodpovědný za interakce protein-protein mezi histony, které tvoří nukleozom.
Právě tento záhyb histonů tvoří globulární karboxylovou doménu těchto nukleosomálních proteinů ve všech eukaryotech.
Histony mají také malé "ocasy" nebo amino-terminální a další karboxy-terminální oblasti (přístupné proteázám), ne delší než 40 aminokyselin. Obě oblasti jsou bohaté na bazické aminokyseliny, které mohou podstoupit několik posttranslačních kovalentních modifikací.
Vazebné histony
V eukaryotech jsou dvě rodiny vazebných histonů, které se od sebe liší strukturou. Některé mají tripartitní strukturu, přičemž výše popsaná globulární doména je lemována „nestrukturovanými“ N- a C-koncovými doménami; zatímco ostatní mají pouze doménu C-terminálu.
Přestože je většina histonů zachována, mohou se během embryogeneze nebo zrání specializovaných buněk v některých organismech objevit specifické varianty. Některé strukturální variace mají co do činění s posttranslačními modifikacemi, jako jsou následující:
- Fosforylace: předpokládá se, že souvisí s úpravou stupně kondenzace chromatinu a vyskytuje se běžně v serinových zbytcích.
- Acetylace: spojená s chromozomálními oblastmi, které jsou transkripčně aktivní. Normálně se vyskytuje na postranních řetězcích zbytků lysinu. Když se objeví na těchto zbytcích, jejich pozitivní náboj se snižuje, čímž se snižuje afinita proteinů k DNA.
- Methylace: může nastat jako mono-, di- nebo trimethylace zbytků lysinu, které vyčnívají z proteinového jádra.
Za provedení těchto kovalentních modifikací v histonech jsou odpovědné specifické enzymy. Tyto enzymy zahrnují histonacetyltransferázy (HAT), histon deacetylasové komplexy (HDAC) a histon methyltransferázy a demetylázy.
Typy
Charakterizace histonů byla provedena různými biochemickými technikami, mezi nimiž vynikají chromatografie založené na slabých katexových pryskyřicích.
Někteří autoři zavádějí formu klasifikace, v níž se v eukaryotech rozlišuje 5 hlavních typů histonů: FI s proteiny 21 kDa; F2A1 nebo FIV, plus nebo mínus 11,3 kDa; F2A2 nebo FIIbI, 14,5 kDa; F2B nebo FIIb2 s molekulovou hmotností 13,7 kDa a F3 nebo FIII s 15,3 kDa.
Všechny tyto typy histonů, s výjimkou skupiny IF, se nacházejí v ekvimolárních množstvích v buňkách.
Další klasifikace, se stejnou platností a snad nejrozšířenější v současné době, navrhuje existenci dvou různých typů histonů, jmenovitě těch, které jsou součástí oktameru nukleosomu a vazebných nebo můstkových histonů, které spojují nukleozomy mezi Ano.
Některé varianty se mohou vyskytovat také mezi druhy a na rozdíl od jádrových histonů, varianty jsou syntetizovány během mezifáze a jsou vloženy do předem vytvořeného chromatinu procesem závislým na energii uvolněné z hydrolýzy ATP.
Nukleozomální histony
Střed nukleozomu sestává z páru každého ze čtyř základních histonů: H2a, H2b, H3 a H4; na kterých jsou navinuté segmenty DNA o asi 145 párech bází.
Histony H4 a H2B jsou v zásadě invariantní. Některé variace jsou však patrné u histonů H3 a H2A, jejichž biofyzikální a biochemické vlastnosti mění normální povahu nukleosomu.
Varianta histonu H2A u lidí má protein H2A.Z velkou kyselou oblast a může podporovat stabilitu nukleosomů v závislosti na variantách histonu H3, se kterými je spojen.
Tyto histony vykazují určitou variabilitu mezi druhy, zvláštním případem je histon H2B, u kterého je první třetina molekuly vysoce variabilní.
Vazebné histony
Vazebnými nebo můstkovými histony jsou histony třídy H1. Tito jsou zodpovědní za spojení mezi nukleosomy a ochranu DNA, která vyčnívá na začátku a na konci každé částice.
Na rozdíl od nukleosomálních histonů, ne všechny histony typu H1 mají kulovitou oblast histonu "fold". Tyto proteiny se vážou na DNA mezi nukleosomy, což usnadňuje posun v chromatinové rovnováze směrem ke kondenzovanějšímu a méně aktivnímu stavu, transkripčně řečeno.
Studie spojily tyto histony se stárnutím, opravou DNA a apoptotickými procesy, a proto se předpokládá, že hrají klíčovou roli při udržování genomické integrity.
Funkce
Všechny aminokyselinové zbytky histonů se tak či onak podílejí na jejich interakci s DNA, což vysvětluje skutečnost, že jsou tak zachovány mezi královstvími eukaryotických organismů.
Účast histonů na balení DNA ve formě chromatinu je velmi důležitá pro komplexní mnohobuněčné organismy, na které se různé buněčné linie mohou specializovat pouze změnou dostupnosti svých genů k transkripčnímu stroji.
Transkripčně aktivní genomické oblasti jsou v nukleosomech husté, což naznačuje, že asociace DNA s histonovými proteiny je zásadní pro negativní nebo pozitivní regulaci jejich transkripce.
Podobně, po celou dobu života buňky, reakce na velké množství podnětů, interních i externích, závisí na malých změnách chromatinu, které obvykle souvisí s remodelací a posttranslační úpravou histonů nalezených v úzký vztah s DNA.
V eukaryotoch mají různé histonové proměnné různé funkce. Jeden z nich má co do činění s účastí varianty histonu H3 na tvorbě centromerických struktur zodpovědných za segregaci chromozomů během mitózy.
Ukázalo se, že protějšek tohoto proteinu v jiných eukaryotech je nezbytný pro sestavení proteinového kinetochoru, ke kterému se vřetenové mikrotubuly vážou během mitózy a meiózy.
Reference
- Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., a Walter, P. (2015). Molekulární biologie buňky (6. vydání). New York: Garland Science.
- Campos, EI a Reinberg, D. (2009). Histony: Anotace chromatinu. Annu. Genet., 43, 559 - 599.
- Harvey, AC, & Downs, JA (2004). Jaké funkce poskytují histony linkeru? Molecular Microbiology, 53, 771–775.
- Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Sestavení variant histonů do chromatinu. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 21, 133-153.
- Isenberg, I. (1979). Histony. Annu. Biochem. 48, 159–191.
- Kornberg, RD, a Thomas, JO (1974). Struktura chromatinu: Oligomery histonů. Science, 184 (4139), 865-868.
- Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). Chemie a biologie histonů. Physiological Reviews, 50 (2), 159-170.