Histonit ( kreikan sanasta ἱστός "kudos") ovat laaja luokka ydinproteiineja , jotka suorittavat kaksi päätehtävää: osallistuminen DNA-säikeiden pakkaamiseen ytimeen ja sellaisten ydinprosessien epigeneettiseen säätelyyn kuin transkriptio , replikaatio ja korjaus .
Kromatiinissa histonit muodostavat 25-40 % kuivapainosta [1] . Korkean lysiinin ja arginiinin pitoisuuden vuoksi histoneilla on vahvasti emäksisiä ominaisuuksia. Histonit ovat suorassa kosketuksessa DNA:n kanssa ja pystyvät neutraloimaan DNA-fosfaattiryhmien negatiivisen varauksen aminohappotähteiden positiivisten varausten vuoksi. Näiden proteiinien aminohapposekvenssi on konservatiivinen eikä käytännössä eroa eri taksonien eliöissä . Histonit ovat läsnä eukaryoottisolujen ytimissä ; bakteereissa ei ole histoneita, mutta niitä löytyy Euryarchaea -ryhmän arkeista [2] .
Histonit löysi vuonna 1884 saksalainen biokemisti Albrecht Kossel [3] .
Histoneja on vain viisi eri tyyppiä H1/H5, H2A, H2B, H3, H4.
Histonit H2A, H2B, H3, H4, joita kutsutaan ydinhistoneiksi ( englannin sanasta " core ; core"), muodostavat nukleosomin , joka on proteiinipallo, jonka ympärille DNA-juoste on kierretty. Kaikkien ydinhistonien keskusalayksiköllä on sama sekundaarinen rakenne, jossa on laajennettu α-kierteinen domeeni, jota molemmilta puolilta reunustavat domeenit, jotka sisältävät yhden silmukan ja yhden lyhyen α-heliksin. Tätä alayksikköä kutsutaan "histonilaskostukseksi" [4] .
Kaikilla neljällä ydinhistoneilla on sama "histonilaskos", kun taas niiden välinen sekvenssi-identtisyys on melko alhainen [5] (joidenkin arvioiden mukaan ei ylitä 25 %).
H1/H5-histoni, jota kutsutaan linkkerihistoniksi , sitoutuu nukleosomin ulkopuolelle ja kiinnittää DNA-juosteen siihen. Sitä seuraavaa DNA:n osaa kutsutaan linkkeri-DNA:ksi (noin 100 emäsparia). Histoni H1 on suurin kaikista histoneista. Se eroaa ydinhistoneista ja vaikuttaa edelleen kromatiinin pakkaamiseen [4] .
Nukleosomeilla ja linkkerihistoneilla on useita toimintoja, jotka määräävät kromatiinin dynamiikan. Esimerkiksi histoni H1 on DNA-juosteen kiinnitysaine nukleosomissa ja siten säätelee kromatiinin saatavuutta [6] . Ydinhistonit voivat puolestaan muuttaa sisäistä koostumusta ja siten vaikuttaa kromatiinin saatavuuteen tietyille DNA-alueille. Lisäksi nukleosomaaliset proteiinit käyvät läpi lukuisia translaation jälkeisiä modifikaatioita solun elämän aikana, mukaan lukien asetylaatio, metylaatio, fosforylaatio ja ubiquitylaatio, jotka voivat muuttaa ominaisuuksia ja vaikuttaa nukleosomin vuorovaikutukseen eri proteiinien kanssa.
Nukleosomi koostuu noin 147 emäsparista (bp) DNA:ta, joka on kietoutunut oktameerin ympärille (~ 1,67 kierteen kierrosta), joka koostuu proteiinipareista, joita kutsutaan ydinhistoneiksi. Sen halkaisija on 7 nm. Yhden nukleosomin "sisältävän" DNA-fragmentin pituus vaihtelee, keskimäärin 200 bp. Samaan aikaan 146 emäsparia on suoraan yhteydessä nukleosomiin ja loput useat kymmenet yhdistävät kaksi vierekkäistä nukleosomia [7] . Linkkerihistoni H1 on vuorovaikutuksessa DNA:n linkkerialueen kanssa koskettamatta histonioktameeriä.
Nukleosomin histonien ja DNA:n välinen kontakti on melko vahva. Jokaisessa nukleosomissa muodostuu 142 vetysidosta DNA:n ja sen muodostavien histonien välille . Lähes puolet näistä sidoksista esiintyy histoniaminohappojen pääketjun ja DNA:n sokeri-fosfaattirungon fosfodiesteriryhmien välillä. DNA:n ja proteiinien välisten vetysidosten lisäksi nukleosomit pitävät yhdessä lukuisia hydrofobisia vuorovaikutuksia ja suolasiltoja. Esimerkiksi aminohappojen lysiini ja arginiini positiiviset varaukset , joilla histonit rikastuvat, voivat tehokkaasti neutraloida DNA-rungon negatiivisen varauksen. Nämä useat vuorovaikutukset selittävät osittain, miksi melkein mikä tahansa DNA-sekvenssi voidaan liittää nukleosomaaliseen oktameeriin [8] .
Lehmän histonit H2A, H2B, H3 ja H4 ovat pieniä proteiineja, joiden molekyylipaino on 10–15 kDa ja joiden koostumus on erittäin rikastettu positiivisesti varautuneilla aminohapoilla lysiinillä ja arginiinilla [9] . Positiivisesti varautuneet aminohapot ovat keskittyneet pääasiassa amiinin (N-) ja karboksyylin (C-) (katso peptidisidos ) terminaalisiin histonimolekyylien, joita kutsutaan häntäiksi. Histonipyrstöt, jotka ovat noin 15-30 aminohappotähdettä pitkiä, eivät ole järjestäytyneet millään selkeiksi toissijaisiksi rakenteiksi. Histonipyrstöillä, ensisijaisesti N-hännällä, on keskeinen rooli epigeneettisissä mekanismeissa, joissa nämä proteiinit ovat mukana. Hydrofobiset aminohappotähteet hallitsevat histonin ydinpolypeptidiketjun keskeisillä, konservoituneimmilla alueilla. Juuri nämä keskusalueet ovat mukana nukleosomaalisen oktameerin muodostumisessa, jolle DNA kiertyy [3] . Kaikkien nukleosomaalisten histonien keskusalueella on tyypillinen sekundaarinen rakenne, jossa on laajennettu α-kierteinen domeeni, jota molemmilta puolilta reunustavat domeenit, jotka sisältävät yhden silmukan ja yhden lyhyen α-heliksin. Tätä spatiaalista rakennetta kutsutaan histonipoimukseksi ( englanniksi histon fold domain , HFD) [10] . Siten nukleosomaaliset histonit sisältävät keskeisen strukturoidun kolmijuosteisen HFD-domeenin ja rakenteettoman N- ja C-hännät.
Histonit H3 ja H4, H2A ja H2B tunnistavat toisensa pareittain. Helikaaliset domeenit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa muodostaen rakenteita, joita kutsutaan kättelyksi, mikä johtaa heterodimeereihin - H3-H4 ja H2A-H2B. Ensimmäisestä dimeeristä puolestaan muodostuu tetrameeri (Н3-Н4) 2 . Tetrameeri (H3-H4) 2 ja kaksi dimeeriä H2A-H2B muodostavat histonioktameerin, nukleosomin ytimen [3] . Nukleosomi on kiilamainen. Sen kapea osa on (H3-H4) 2 ja leveä osa koostuu kahdesta dimeeristä H2A-H2B, jotka sijaitsevat tetrameerin (H3-H4) 2 sivuilla eivätkä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Kaikesta nukleosomaalisen oktameerin ympärille kiertyneestä DNA:sta noin 80 emäsparia liittyy (H3-H4) 2 -tetrameeriin ja noin 40 emäsparia H2A-H2B-dimeereihin [10] .
Linkkerihistoni H1 sitoutuu nukleosomin ulkopuolelle (H3-H4) 2 -tetrameerin alueella ja kiinnittää siten DNA-juosteen nukleosomiin. Lintujen ja matelijoiden punasoluissa inaktiivisessa kromatiinissa on histonin H1 sijasta läheistä sukua oleva histoni H5 [10] . Histoni H1/H5 eroaa merkittävästi neljästä ydinhistonista. Sen molekyylipaino on yli 20 kDa. Se sisältää huomattavasti enemmän lysiinitähteitä kuin arginiini, ja kaikki positiivisesti varautuneet aminohappotähteet ovat keskittyneet H1-molekyylin C-päähän. H1-molekyylin C-päälle on tunnusomaista epäjärjestynyt rakenne ja se on noin 100 aminohappotähdettä pitkä. H1-molekyylin keskusosa sisältää runsaasti hydrofobisia aminohappojäännöksiä ja muodostaa liuoksessa pallon. N-päällä ei ole järjestettyä rakennetta ja se on suhteellisen lyhyt [9] .
Yksi tärkeimmistä eukaryoottisolujen toimintaa nukleosomitasolla säätelevistä tekijöistä on histonien korvautuminen niiden muunnelmilla . Histoneja on kahta tyyppiä: kanoniset ja histonimuunnelmat.
Kaikilla histoneilla histoni H4:ää lukuun ottamatta on erilaisia sitä vastaavia muunnelmia. Kanoniset histonit (H2A, H2B, H3, H4, H1/H5) ovat yleensä replikaatioriippuvaisia [4] . Ne ilmentyvät erityisesti solusyklin S-vaiheessa. Vaikka histonivariantit (H2A.Z, H2A.B, ..., H2B.W, H2B.Z, ..., H3.3, H3.Y, H3.5, ..., H1.0, H1. 10) ovat riippumattomia replikaatiosta ja ilmentyvät koko solun elinkaaren ajan. Sekä kanonisilla histoneilla että niiden muunnelmilla voi olla omat erityispiirteensä organismityypistä riippuen. On kuitenkin olemassa myös universaaleja histoneita [11] .
Histonivarianttien tehtävänä on säilyttää nukleosomaalinen kromatiinin laskostuminen, lisätä tai vähentää sen stabiilisuutta, luoda erityinen konteksti jokaiselle tietylle kromatiinialueelle ja siten ohjata transkriptio-, replikaatio- ja korjausprosesseja [10] . Jokaisella histonivariantilla on tyypillinen sekvenssi ja rakenteelliset piirteet, jotka selittävät sen erityisen toiminnan [4] . Lisäksi vaikka jotkut variantit voivat erota vain parilla aminohappotähteellä, toisilla voi olla pienempi samankaltaisuus. Esimerkiksi H2B ja H2B.E eroavat vain neljällä tai viidellä aminohappotähteellä, kun taas H2A.Z:n kaksi alavarianttia (H2A.Z.1 ja H2A.Z.2) eroavat selkärankaisilla vain kolmella. Samanlainen tilanne havaitaan histonivariantin H2A.X ja sen kanonisen muodon välillä. Se eroaa H2A:sta toiminnallisesti tärkeässä Ser-Gln-(Glu/Asp)-P C-terminaalisessa fosforylaatiomotiivissa, jossa P on hydrofobinen tähde. Vaihtoehtospesifinen seriinifosforylaatio tässä motiivissa voi tapahtua DNA:n kaksoisjuostekatkojen muodostumisen aikana ja se voi olla tärkeää erilaisten kromatiinin uudelleenmuotoilutekijöiden kerääntymiselle ja säilyttämiselle kaksoisjuostekatkojen korjaamisen edistämiseksi. Esimerkki alemman identtisyyden muunnelmien parista on H2A.L, jolla on vain 24 % sekvenssi-identtisyys kanonisen H2A:n kanssa [11] .
Histonivarianttien modifikaatioiden tiedetään usein olevan samoja kuin niiden kanonisissa muodoissa. Esimerkiksi Lys4 H3.3:ssa on usein trimetyloitu (H3.3K4me3), kun taas Lys18 ja Lys23 ovat usein asetyloituja (H3.3K18ac ja H3.3K23ac, vastaavasti) [12] .
Klassisia histonigeenejä esiintyy genomissa useissa kopioissa ja ne on koottu peräkkäin toistuviksi klustereiksi. Kanonisten histonigeenien klusteriorganisaatio on ominaista kaikille monisoluisille organismeille . Ihmisillä suurin näiden geenien ryhmä, nimeltään HIST1 ja joka koostuu 55 geenistä, sijaitsee kromosomissa 6 alueella 6p21-p22. Kaksi pienempää klusteria sijaitsee kromosomissa 1 : 1q21-vyöhyke sisältää HIST2-klusterin, joka sisältää 6 histonigeeniä, ja 1q42-vyöhyke sisältää kolmesta geenistä koostuvan HIST3-klusterin. Kolmen edellä kuvatun klusterin ulkopuolella, kromosomissa 12 , 12p13.1-vyöhykkeessä, on ainoa geeni, joka koodaa kanonista ydinhistonia, HIST4H4-geeni, joka koodaa H4-histonia [13] .
Kanonisten histonigeenien tyypillinen piirre on intronien puuttuminen . Näiden geenien transkriptio tapahtuu tiukasti solusyklin S-vaiheen aikana . Näiden geenien lähetti- RNA ei ole polyadenyloitunut, vaan mRNA:n 3'- ei-koodaava osa on laskostunut kantasilmukan sekundaarirakenteeksi [14] .
Toisin kuin kanoniset histonigeenit, varianttihistonigeenit eivät muodosta klustereita, ne ovat hajallaan genomissa, sisältävät usein introneja, niistä transkriptoitunut RNA polyadenoituu ja transkriptio tapahtuu koko solusyklin ajan.
| superperhe | Perhe | Alaperhe | Geenit |
|---|---|---|---|
| Linkkerin histoni | |||
| Histoni H1 | |||
| H1-muunnos histonit (H1F-alaperhe) | H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX, HILS1 | ||
| Kanoniset histoni H1 -geenit HIST1-klusterissa (H1H1) | HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T | ||
| Ydinhistonit | |||
| Histoni H2A | |||
| Varianttihistoni H2A (H2AF) | H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ | ||
| Kanoniset histoni-H2A-geenit HIST1 (H2A1) -klusterissa | HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM | ||
| Kanoniset histoni-H2A-geenit HIST2-klusterissa (H2A2) | HIST2H2AA3, HIST2H2AC | ||
| Histoni H2B | |||
| Varianttihistoni H2B (H2BF) | H2BFM, H2BFS, H2BFWT | ||
| Kanoniset histoni-H2B-geenit HIST1 (H2B1) -klusterissa | HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H21BHN, HIST1H21BH | ||
| Kanoninen histoni H2A-geeni HIST2-klusterissa (H2B2) | HIST2H2BE | ||
| Histoni H3 | |||
| Kanoniset histoni H3 -geenit HIST1 (H3A1) -klusterissa | HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J | ||
| Kanoniset histoni H3 -geenit HIST2-klusterissa (H3A2) | HIST2H3C | ||
| Kanoniset histoni-H3-geenit HIST3-klusterissa (H3A3) | HIST3H3 | ||
| Histoni H4 | |||
| Kanoniset histoni H4 -geenit HIST1 (H41) -klusterissa | HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L | ||
| Kanoninen histoni H4 -geeni klustereiden ulkopuolella | HIST4H4 |
Oktameerin histoneissa on 20 aminohapon liikkuva N-terminaalinen fragmentti ("häntä"), joka työntyy esiin nukleosomeista ja on tärkeä kromatiinin rakenteen ylläpitämiseksi ja geeniekspression säätelemiseksi. Esimerkiksi joidenkin histonimuunnelmien ( fosforylaatio ja asetylaatio ) tiedetään lokalisoituvan pääasiassa kromatiinialueille, joissa on aktiivisia geenejä [15] [16] , kun taas niiden deasetylaatiolla [17] ja metylaatiolla polykombirepressorikompleksin toimesta on tärkeä rooli pluripotenssin ylläpitämisessä. ja eriyttäminen [18] .
Sääntelymekanismin yksityiskohtia ei ole täysin selvitetty [19] [20] [21] .
Histonien aminohapposekvenssi eli niiden primäärirakenne on muuttunut vain vähän evoluution aikana. Tämä näkyy selvästi, kun verrataan nisäkkään, kasvin ja hiivan histonien aminohapposekvenssiä. Siten ihmisen ja vehnän H4 eroavat vain muutamista aminohapoista. Lisäksi proteiinimolekyylin koko ja sen polariteetti ovat melko vakioita. Tästä voimme päätellä, että histonit optimoitiin eläinten, kasvien ja sienten yhteisen edeltäjän aikakaudella (yli 700 miljoonaa vuotta sitten). Vaikka histonigeeneissä on sen jälkeen tapahtunut lukemattomia pistemutaatioita , ne kaikki ilmeisesti johtivat mutanttiorganismien sukupuuttoon.
| Kromosomit | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Main | |||||||||||
| Luokitus | |||||||||||
| Rakenne |
| ||||||||||
| Rakenneuudistus ja rikkomukset | |||||||||||
| Kromosomaalisen sukupuolen määritys | |||||||||||
| menetelmät | |||||||||||