Кіріспе
Сегіз ақуыздық кешен нуклеосомалардың негізін құрайды. Молекулалық биологияда гистон октамері – нуклеосомалық өзек бөлшегінің ортасында табылған сегіз ақуыздық кешен. Ол төрт негізгі гистон ақуызының (H2A, H2B, H3 және H4) әрқайсысының екі данасынан тұрады. Октамер екі H3 және екі H4 данасын қамтитын тетрамер, екі H2A/H2B димерімен кешендескенде қалыптасады. Әр гистонның N-терминалдық құйрығы және C-терминалдық гистон домені болады. Осы негізгі компоненттердің әрқайсысы ДНК-мен әлсіз өзара әрекеттесулер арқылы, оның ішінде сутекті байланыстар және иондық байланыстар арқылы өзара әрекеттеседі. Бұл өзара әрекеттесулер ДНК мен гистон октамерін шала байланыстырып ұстайды, сонымен қатар олардың орнын ауыстыруға немесе толығымен бөлінуіне мүмкіндік береді.
In molecular biology, a histone octamer is the eight protein complex found at the center of a nucleosome core particle. It consists of two copies of each of the four core histone proteins (H2A, H2B, H3, and H4). The octamer assembles when a tetramer, containing two copies of H3 and two of H4, complexes with two H2A/H2B dimers. Each histone has both an N terminal tail and a C terminal histone fold. Each of these key components interacts with DNA in its own way through a series of weak interactions, including hydrogen bonds and salt bridges. These interactions keep the DNA and the histone octamer loosely associated, and ultimately allow the two to re position or to separate entirely.
Зерттеу тарихы
1964 жылы гистонның посттрансляциялық модификациялары алғаш рет анықталып, РНК синтезіне ықпал ететін реттеуші рөлге ие екендігі тізімделді. Одан бері бірнеше онжылдық бойы хроматин теориясы дамыды. Хроматинның құрамдық бөліктерінің модельдері және нуклеосома ұғымы тиісінше 1973 және 1974 жылдары қалыптасты. Ричмонд және оның зерттеу тобы 1984 жылы ДНК-мен оралған гистон октамерінің кристалл құрылымын 7 Å ажыратымдылықпен анықтауға қол жеткізді. Октамерлік ядролық кешеннің құрылымы жеті жылдан кейін қайта қарастырылды және жоғары тұз концентрациясындағы кристалл үшін 3,1 Å ажыратымдылық анықталды. Негізгі гистондардың аминқышқылдық тізбегінде ұқсастық төмен болғанымен, төртеуінің әрқайсысында гистон бүктеме мотиві деп аталатын спираль-ілмек-спираль құрамынан тұратын қайталанатын элемент бар. Бұдан әрі, ақуыз-ақуыз және ақуыз-ДНК өзара әрекеттесуінің бұлшықтары 2000 жылдары рентгендік кристаллографиялық зерттеулер арқылы 2,8 және 1,9 Å ажыратымдылықпен нақтыланды.
Молекулалық егжей-тегжейлі гистон октамері
Негізгі гистондар H2A, H2B, H3 және H4 деп аталатын төрт ақуыздан тұрады және олардың барлығы жасушада тең мөлшерде кездеседі. Барлық төрт негізгі гистонның аминқышқылдық тізбектерінде лизин мен аргининнің 20-дан 24%-ы бар, ал ақуыздың мөлшері 11400-нан 15400 дальтонға дейін жетеді, бұл оларды салыстырмалы түрде кішкентай, бірақ жоғары оң зарядталған ақуыздар етеді. Гетеродимердің қалыптасуы екі ақуыз арасындағы гидрофобты аминқышқыл қалдықтарының өзара әрекеттесуіне негізделген. Төрт негізгі гистонның әрқайсысы гистон қабат домендерімен қатар, гистон "құйрықтары" деп аталатын икемді, құрылымсыз кеңейтулерге ие. Нуклеосомаларды протеаза трипсинімен өңдеу, гистон құйрықтары алынып тасталғаннан кейін ДНК-ның нуклеосомаға берік байланыса алатынын көрсетеді. ДНК-ны ықшамдаумен қатар, гистон октамері оны қоршаған ДНК-ның транскрипциясында маңызды рөл атқарады. Гистон октамері ДНК-мен өзек гистон қабаттары және N-терминалдық құйрықтары арқылы өзара әрекеттеседі. Гистон қабаттары химиялық және физикалық тұрғыдан ДНК-ның кіші жолағымен өзара әрекеттеседі. Зерттеулер гистондардың кіші жолақтағы А:Т-ға қаныққан аймақтармен, G:C-ға қаныққан аймақтардан гөрі жақсырақ өзара әрекеттесетінін көрсетті. N-терминалдық құйрықтар ДНК-ның нақты бір аймағымен өзара әрекеттеспейді, керісінше, октамердің айналасына оралған ДНК-ны тұрақтандырады және бағыттайды. Дегенмен, гистон октамері мен ДНК арасындағы өзара әрекеттесулер тұрақты емес. Екеуі де оңай бөлінеді және көбінесе репликация мен транскрипция кезінде осылай болады. Нақты қайта құрушы ақуыздар хроматин құрылымын үнемі өзгертіп, ДНК мен нуклеосома арасындағы байланыстарды бұзады.
Гистон мен ДНК өзара әрекеттесуі
Гистондар негізінен лизин және аргинин сияқты оң зарядталған аминқышқылдарының қалдықтарынан тұрады. Оң зарядтар оларға электростатикалық өзара әрекеттесу арқылы теріс зарядталған ДНК-мен тығыз байланысуға мүмкіндік береді. ДНК-дағы зарядтарды бейтараптандыру оны тығыз жинауға мүмкіндік береді. ДНҚ гистон октамерінің айналасына оралғанда, оның кіші жолшасын 14 түрлі орнында гистон октамеріне көрсетеді. Осы жерлерде екеуі әлсіз, ковалентті емес байланыстар тізбегі арқылы өзара әрекеттеседі. Байланыстардың негізгі көзі – сутекті байланыстар, тікелей және су арқылы делдалдықпен жасалатын байланыстар. Гистондар – оң зарядталған молекулалар, олар теріс зарядталған ДНК молекуласына тығыз байланысуға мүмкіндік береді. Гистонның оң зарядын азайту гистон мен ДНК арасындағы байланыстың күшін төмендетеді, бұл геннің транскрипциясына (экспрессиясына) жол ашады. Бұл техниканың негізгі қағидасы – гистон октамері әдетте тығыз байланыстыратын ДНК аймағын босату болып табылады. Техника толыққанды анықталмаған, бірақ ең басты гипотеза – сырғанау «инчворм» (центпед) әдісімен жүзеге асырылады. Бұл әдісте АТФ энергия көзі ретінде пайдаланылады, нуклеосоманы қайта құру кешенінің транслоказалық домені гистон октамерінен ДНК-ның шағын бөлігін ажыратады. ДНК-ның бұл «толқыны» өздігінен сутекті байланыстарды үзеді және қайта жасайды, содан кейін гистон октамерімен соңғы байланыс орнына дейін нуклеосомалық ДНК бойымен таралады. Толқын гистон октамерінің соңына жеткенде, шетінде болған артық бөлік байланыстыратын ДНК аймағына дейін созылады. Жалпы алғанда, осы әдістің бір айналымы гистон октамерін бірнеше базалық жұптармен белгілі бір бағытта жылжытады – «толқынның» таралу бағытына қарама-қарсы бағытта.
Клиникалық маңызы
Көптеген есептер жасқа байланысты аурулар, туа біткен кемшіліктер және бірнеше түрдегі қатерлі ісіктердің гистонның пост-трансляциялық модификацияларының бұзылуымен байланысты екенін көрсетеді. Зерттеулер N және C терминалдық құйрықтардың ацетилдену, метилдену, убиквитинация және фосфорилирлеуге негізгі нысаналар екенін анықтады. Жаңа мәліметтер гистон ядросының ішіндегі бірнеше модификацияларға нұсқап тұр. Зерттеулер хроматиндегі гистон-ДНК интерфейсіндегі гистон ядросының модификацияларының рөлін анықтауға бағытталған. p300 және cAMP жауап элементімен байланысатын белок (CBP) гистон ацетилтрансфераза активтілігіне ие. p300 және CBP – төрт негізгі гистонды бірнеше қалдықтарда ацетилдейтін ең көп таралған гистон ацетилтрансфераза ферменттері. H3 гистонындағы 18- және 27-лизин тек қана егешкі эмбриондық фибробластарында CBP және p300 азайтылғанда азайған гистон ацетилация орындары болды. Сондай-ақ, CBP және p300 нокаут егешкілерінде ашық нейрондық түтік ақаулары бар, сондықтан олар туылмай өледі. p300−/− эмбриондарында жүректің дамуында ақаулар байқалады. CBP+/− егешкілерінде өсудің тежелуі, бас-бет аномалиялары, гематологиялық қатерлі ісіктер байқалады, бұл p300+/− егешкілерінде байқалмайды. p300-дің екі мутациясы да адамдардағы колоректальды, асқазан, сүт безі, жұмыртқалық, өкпе және бүйрек безі карциномаларында хабарланған. Сонымен қатар, екі гистон ацетилтрансферазаның активтенуі немесе локализациясы онкогенді болуы мүмкін.