Кіріспе

Биологияда гистондар – лизин және аргинин қалдықтарына қаныққан, өте негізгі белоктар, олар эукариоттық жасуша ядроларында және көптеген архея филаларында кездеседі. Олар ДНК-ның нуклеосомалар деп аталатын құрылымдық бірліктерді құру үшін оралатын шпулдер рөлінде әрекет етеді. Нуклеосомалар өз кезегінде 30 нанометрлік талшықтарға оралып, тығыз жиналған хроматин құрайды. Гистондар ДНК-ның түйіліп қалмауына кедері келтіреді және оны ДНК зақымдануынан қорғайды. Сонымен қатар, гистондар гендік реттеу және ДНК репликациясында маңызды рөл атқарады. Гистондар болмаған жағдайда, хромосомадағы оқшауланған ДНК өте ұзын болар еді. Мысалы, әрбір адам жасушасы толық созылғанда шамамен 1,8 метрлік ДНК-ға ие; бірақ гистондарға оралғанда, бұл ұзындық 30 нм диаметрлі хроматин талшықтарының шамамен 90 микрометріне (0,09 мм) дейін азаяды. Гистондардың бес туысы бар: H1/H5 (байланыс гистондары), H2, H3 және H4 (негізгі гистондар). Нуклеосома ядросы екі H2A H2B димерінен және H3 H4 тетрамерінен тұрады. ДНК-ның гистондармен тығыз оралуы, көбінесе оң зарядталған гистондар мен ДНК-ның теріс зарядталған фосфат тізбегі арасындағы электростатикалық тартылыс нәтижесінде болады. Гистондар геннің транскрипциясын реттеу үшін ферменттердің әрекеті арқылы химиялық түрде модификациялануы мүмкін. Ең көп таралған модификациялар – аргинин немесе лизин қалдықтарының метилирленуі немесе лизиннің ацетилирленуі. Метилирлеу басқа белоктардың, мысалы транскрипция факторларының нуклеосомалармен өзара әрекеттесуіне әсер етуі мүмкін. Лизиннің ацетилирленуі лизиндегі оң зарядты жояды, осылайша гистон мен ДНК арасындағы электростатикалық тартылыс әлсірейді, нәтижесінде ДНК-ның ішінара оқшаулануына және ген экспрессиясына қолжетімділікке әкеледі.

Эволюция және түрлердің таралуы

Негізгі гистондар эукариоттық жасушалардың ядроларында және көптеген архея филаларында кездеседі, бірақ бактерияларда жоқ. Алайда, кейінгі зерттеулер олардың ДНК-сы әлі де гистон гендерін кодтайтынын көрсетті. Негізгі гистондардан өзгеше, лизинге бай линкерлік гистонның (H1) гомологтары бактерияларда табылды, олар HC1/HC2 нуклеопротеиндері деп те аталады. Гистон ақуыздары эволюциялық тұрғыдан кеңейтілген AAA+ АТФаза доменінің спиральді бөлігімен, С доменімен және Clp/Hsp100 ақуыздарының N-терминалды субстратты тану доменімен байланысты болуы мүмкін. Топологиялық айырмашылықтарына қарамастан, бұл үш құрылым гомологты спираль-жіп-спираль (HSH) мотивін бөліседі. Олардың рибосомалық ақуыздардан (RPS6/RPS15) пайда болған болуы мүмкін екендігі де ұсынылған, олар екеуі де қысқа және негізді ақуыздар. Архея гистондары эукариоттық гистондардың эволюциялық алдындағыларына ұқсас болуы мүмкін. Гистон ақуыздары эукариоттарда ең жоғары сақталған ақуыздардың бірі болып табылады, бұл олардың ядро биологиясындағы маңызды ролін көрсетеді. Негізгі санаттардың кейбіреулерінде әртүрлі формалары бар. Олар аминқышқылдық тізбек гомологиясын және белгілі бір негізгі гистондар класына ұқсас негізгі құрылымдық ұқсастықтарды бөліседі, бірақ сонымен қатар негізгі гистондардан ерекшеленетін өзіндік ерекшеліктеріне де ие. Бұл шағын гистондар әдетте хроматин метаболизмінің нақты функцияларын орындайды. Мысалы, H3 гистоны сияқты CENPA хромосоманың центромерлік аймағымен ғана байланысты. Гистон H2A-ның H2A.Z нұсқасы белсенді транскрипцияланатын гендердің промоторларымен байланысты және сонымен қатар үнсіз гетерохроматиннің таралуын болдырмауға қатысады. Бұдан әрі, H2A.Z геномдық тұрақтылық үшін хроматинде рөл атқарады. H2A-ның тағы бір нұсқасы, H2A.X, екі жіптің үзілу аймақтарында S139 орнында фосфорилирленеді және ДНҚ жөндеу процесін жүргізіп жатқан аймақты белгілейді. Гистон H3.3 белсенді транскрипцияланатын гендердің денесімен байланысты.

ДНҚ-ның түйісуі

Гистондар ДНК-ны орап, мақтаны түзеді. Бұл эукариоттардың үлкен геномдарын жасуша ядросының ішіне сыйымды ету үшін қажетті тығыздалуға мүмкіндік береді: тығыздалған молекула, ашық молекуладан 40 000 есе қысқа.

Өзгерістер

Гистонның модификацияларының кең ауқымды каталогы сипатталған, бірақ олардың көпшілігінің қызметтік мәні әлі толыққанды түсініксіз. Жалпы алғанда, гистонның модификациялары гистон кодының негізін құрауы мүмкін, онда гистон модификацияларының әртүрлі комбинациялары нақты мағына береді. Дегенмен, қолда бар функционалдық деректердің басым бөлігі биохимиялық тұрғыдан терең зерттеуге ыңғайлы, жеке-жеке көзге түсетін гистон модификацияларына қатысты.

Лизинді метилирлеу

Лизинге бір, екі немесе көптеген метил топтарының қосылуы гистон химиясына аз әсер етеді; метилдеу лизиннің зарядын өзгеріссіз қалдырады және минималды сандағы атомдарды қосады, сондықтан кеңістіктік өзара әрекеттесулерге көп әсер етпейді. Дегенмен, Тюдор, хромо немесе PHD домендерін қамтитын, соның ішінде басқа ақуыздар да лизиннің метилдеуін өте жоғары сезімталдықпен тани алады және моно-, ди- және триметиллизин арасын ажырата алады. Мұның себебі, кейбір лизиндер үшін (мысалы: H4K20) моно-, ди- және триметилдеу әртүрлі мағынаға ие болады. Осы себепті лизиннің метилдеуі өте маңызды белгі болып табылады және белгілі гистондық модификация функцияларының көп бөлігін құрайды.

Глютаминді серотонилдеу

Жақында дәлелденгендей, серотонин тобының H3 глютаминінің 5-орынға қосылуы серотонергиялық жасушаларда, мысалы нейрондарда жүзеге асады. Бұл серотонергиялық жасушалардың дифференциациясының бір бөлігі болып табылады. Бұл посттрансляциялық модификация H3K4me3 модификациясымен бірге өтеді. Серотонилдену TFIID жалпы транскрипция факторының TATA аймағына байланысуын күшейтеді.

Аргининді метилирлеу

Жоғарыда лизиннің метилдену химиясы туралы айтылғандар аргининнің метилденуіне де қатысты. Мысалы, Тюдор домендері метиллизинге емес, метиларгининге тән болуы мүмкін. Аргинин моно- немесе диметилденген болуы мүмкін, ал метилдену симметриялық немесе асимметриялық болуы мүмкін, бұл әртүрлі мағыналарды білдіруі мүмкін.

Аргинин цитруллинациясы

Пептидиларгинин деиминазалары (ПАД) деп аталатын ферменттер аргининдердің имин тобын гидролиздеп, кето тобын қосады, нәтижесінде аминқышқылының қалдығындағы оң зарядтың саны біреуге азаяды. Бұл процесс гендік экспрессияны белсендіруге қатысады, өйткені модификацияланған гистондар ДНК-ға бұрынғыдан бекем байланыспайды, соның салдарынан хроматинге қолжетімділік артады. ПАД-тар гистондардағы аргинин қалдықтарының монометилирленуін алып тастау арқылы немесе оны тежеу арқылы кері әсерін де тудыра алады, осылайша аргинин метилирлеуінің транскрипциялық белсенділікке тигізетін оң әсеріне қарсы тұрады.

Лизин ацетилациясы

Ацетил тобын қосу лизинге маңызды химиялық әсер етеді, себебі ол оң зарядты жояды. Бұл гистон мен теріс зарядталған ДНҚ тізбегі арасындағы электростатикалық тартылысты азайтады, хроматин құрылымын жұмсартады; жоғары ацетилденген гистондар неғұрлым қолжетімді хроматин құрайды және белсенді транскрипциямен байланысты болады. Лизин ацетилациясы метилдеуге қарағанда мағынасы жағынан аз нақты, себебі гистон ацетилтрансферазалары көбінесе бір лизинге емес, бірнеше лизинге әсер етеді; бұл хроматин құрылымына айтарлықтай әсер ету үшін бірнеше лизинді өзгерту қажеттігін көрсетеді. Бұл өзгерту H3K27ac-ты қамтиды.

Серин/треонин/тирозин фосфорилирлеуі

Теріс зарядталған фосфат тобын қосу ақуыз құрылымында маңызды өзгерістерге алып келуі мүмкін, нәтижесінде фосфорилирлеудің ақуыз функцияларын реттеудегі белгілі бір рөлі қалыптасады. Гистон фосфорилирлеуінің құрылымдық салдары қандай екені әлі анықталмаған, бірақ гистон фосфорилирлеуі трансляциядан кейінгі модификация ретінде нақты функцияларды атқарады және BRCT сияқты байланыстыру домендері сипатталған.

Транскрипцияға әсері

Ең көп зерттелген гистондық модификациялар транскрипцияны реттеуге қатысады.

Хромосомалық конденсация

H3 серин 10 фосфорилирлеуі (фосфо H3S10) Митоздық киназа aurora B H3 гистонын серин 10-да фосфорилирлейді, бұл митоздық хромосомалардың конденсациясына жауапты өзгерістер тізбегін іске қосады. Сондықтан, конденсацияланған хромосомалар осы маркерге өте күшті боялады, бірақ H3S10 фосфорилирлеуі митоз кезінде емес, кейбір хромосомалық аймақтарда да кездеседі, мысалы, G2 фазасындағы жасушалардың перицентрикалық гетерохроматинында. H3S10 фосфорилирлеуі жоғары транскрипцияланған аймақтарда R циклдерінің түзілуінен туындаған ДНК зақымдануымен де байланысты. H2B серин 10/14 фосфорилирлеуі (фосфо H2BS10/14) H2B гистонының серин 10 (дрожжи) немесе серин 14 (сүтқоректілер) фосфорилирлеуі де хроматин конденсациясымен байланысты, бірақ апоптоз кезінде хромосомалық конденсацияны қамтамасыз ету үшін мүлдем басқа мақсатта. Бұл маркер апоптоздың жай ғана кешқы нәтижесі емес, себебі осы қалдықтардың мутацияларын қамтитын дрожжилер сутек пероксидінен туындаған апоптоздық жасушалардың өліміне қарсы тұрады.

Есірткі

Мидың белгілі бір аймақтарындағы гистон құйрықшаларының эпигенетикалық өзгерістері тәуелділіктерде маңызды рөл атқарады. Белгілі бір эпигенетикалық өзгерістер орын алғаннан кейін, олар ұзақ сақталатын "молекулалық іздер" сияқты көрінеді, бұл тәуелділіктің қалыптасуын түсіндіруге болады. Егешқұйрықтарға 7 күн бойы никотинмен емдегеннен кейін, мидың аккумбенс ядросындағы FosB промоторында H3 және H4 гистондарының ацетилденуі жоғарылап, FosB экспрессиясы 61%-ға артты. Бұл Delta FosB-ның сплайс-вариантының экспрессиясын да арттырады. Мидың аккумбенс ядросында Delta FosB "тұрақты молекулалық қосқыш" және тәуелділіктің дамуындағы "басқарушы ақуыз" ретінде жұмыс істейді. АҚШ халқының шамамен 7%-ы алкогольге тәуелді. Алкогольге 5 күнге дейін ұшыраған егешқұйрықтарда мидың миндаль тәрізді денесіндегі проноцицептин промоторында гистон 3 лизин-9 ацетилденуі жоғарылады. Бұл ацетилдену проноцицептиннің белсендірілу белгісі болып табылады. Ноцицептин/ноцицептин опиоидты рецептор жүйесі алкогольдің күшейту немесе шарттау әсеріне қатысады. Метамфетаминге тәуелділік АҚШ халқының шамамен 0,2%-ында кездеседі. Метамфетаминге ұзақ мерзімді қолдану гистон 3 гистонының 4-позициясындағы лизиннің метилденуіне әкеледі, бұл гистондар C fos және C C химиокин рецепторы 2 (ccr2) гендерінің промоторларында орналасқан, нәтижесінде бұл гендер ядролық аккумбенсте (NAc) белсендіріледі. c fos-тың тәуелділікте маңызды екені мәлім. ccr2 гені де маңызды, өйткені оның мутациялық инактивациясы тәуелділіктің дамуын тежейді. S фазасынан тыс гистон гендерінің экспрессиясын басу гистон гендерінің локусындағы белсенді емес хроматин құрылымын құрайтын Hir ақуыздарына байланысты, бұл транскрипциялық активаторлардың тоқтатылуына себеп болады.

Метазоан

Метазоандарда гистон синтезінің жылдамдығының артуы, мРНК-ның пісіп даму алдындағы түрінің өңделуінің күшеюімен және мРНК ыдырауының азаюымен байланысты; бұл гистон ақуыздарын аудармалауға қолданылатын белсенді мРНК мөлшерінің өсуіне алып келеді. мРНК-ны белсендіру механизмі – мРНК тізбегінің 3' ұшынан сегментті алып тастау болып табылды, және ол сақина тәрізді тізбекпен байланысатын ақуызға (SLBP) тәуелді. SLBP сондай-ақ S фазасында 3'hExo нуклеазасымен ыдырауды тоқтату арқылы гистон мРНК-ларын тұрақтандырады. SLBP деңгейін жасуша циклының ақуыздары реттейді, нәтижесінде жасушалар S фазасына кіргенде SLBP жинақталады, ал S фазасынан шыққанда ыдырайды. SLBP, S фазасының соңында циклинге тәуелді киназалар (мысалы, циклин A/cdk2) арқылы екі треонин қалдығында фосфорилдану арқылы ыдырауға белгіленеді. Метазоандарда хромосомаларда шоғырланған гистон гендерінің көптеген көшірмелері бар, олар геномдық хромосомалық конформацияны ұстау талдауы (4C Seq) арқылы анықталған Cajal денешіктері деп аталатын құрылымдарда орналасқан.

Ұяшық циклын бақылау мен синтез арасындағы байланыс

Ядролық ақуыз атаксия телангиэктазиясы (NPAT), сонымен қатар гистон транскрипциясының ядролық ақуыз коактиваторы деп те аталады, адам жасушаларының 1 және 6-шы хромосомаларында гистон гендерінің транскрипциясын белсендіретін транскрипциялық фактор болып табылады. NPAT циклин E Cdk2-нің де субстраты болып табылады, бұл G1 фазасынан S фазасына өту үшін қажет. NPAT гистон гендерінің экспрессиясын тек G1/S Cdk циклин E Cdk2-мен ерте S фазасында фосфорилданғаннан кейін ғана белсендіреді. Бұл жасуша циклын бақылау мен гистон синтезі арасындағы маңызды реттеу байланысын көрсетеді.

Тарих

Гистондар 1884 жылы Альбрехт Коссель ашқан. "Гистон" сөзі 19 ғасырдың соңында пайда болған және неміс тіліндегі "Histon" сөзінен шыққан, оның этимологиясы нақты белгісіз, бірақ ежелгі грек тіліндегі ἵστημι (hístēmi, "тұрғызу") немесе ἱστός (histós, "тілгі") сөздерімен байланысты болуы мүмкін. 1960 жылдардың басында, гистон түрлерінің сипаттамасы жасалмаған және гистонның түрлі таксономиялық топтардағы организмдерде жоғары сақталатыны белгілі болмаған кезде, Джеймс Ф. Боннер және оның әріптестері жоғары сатыдағы организмдердің ядросындағы ДНК-мен тығыз байланысты белгілі ақуыздарды зерттеуді бастады. Боннер және оның докторанты Ру Чих Ц. Хуан оқшауланған хроматиннің сынақ түтігінде РНК транскрипциясын жүзеге асырмайтынын, бірақ гистондарды хроматиннен шығарғанда, РНК қалған ДНК-дан транскрипциялана алатынын көрсетті. Олардың жұмысы классикалық еңбек ретінде танылды. 1964 жылы Пол Т'со мен Джеймс Боннер гистон химиясы мен биологиясы жөніндегі халықаралық конгресс ұйымдастырды, онда гистон түрлерінің саны бойынша бірлік болмағаны және олардың әртүрлі организмдерден оқшауланғанда қалай салыстырылатыны ешкімге белгісіз болғаны анықталды. Мысалы, олар гистон IV аминқышқылдық тізбегінің бездігүл мен бұзаудың тимус безінде жоғары деңгейде сақталғанын анықтады. 1990 жылдардың басына дейін көптеген ғалымдар гистондарды эукариоттық ядролық ДНК-ның инертті қаптамалық материалы деп есептеді, бұл көзқарас Марк Пташне және басқалардың модельдеріне негізделген. Олар транскрипцияның негізінен жалаңаш ДНК матрицасындағы ДНК-ақуыз және ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулер арқылы белсендірілетініне сенді, бактериялардағы жағдай сияқты. 1980 жылдары Яхли Лорх пен Роджер Корнберг нуклеосоманың негізгі промотордағы орналасуының in vitro жағдайында транскрипцияның басталуын тежейтінін көрсетті, ал Майкл Грунштейн гистондардың in vivo жағдайында транскрипцияны басатынын көрсетті, бұл нуклеосоманың жалпы ген репрессоры екендігі туралы түсінікке әкелді. Репрессияны жеңілдету гистонның модификациялануы және хроматин қайта құру кешендерінің әрекетімен байланысты деп саналады. Винсент Олфри мен Альфред Мирский бұрын транскрипциялық активацияда гистонның модификациялануының рөлін ұсынған, оны эпигенетиканың молекулалық көрінісі ретінде қарастырған. Майкл Грунштейн мен Дэвид Аллис ашытқыда транскрипция үшін гистон ацетилациясының маңыздылығы және гистон ацетилтрансферазасы ретінде транскрипциялық активатор Gcn5 белсенділігі арқылы осы ұсынысты қолдады. H5 гистонының ашылуы 1970 жылдарға дейін жетеді, қазір ол H1 гистонының изоформасы болып саналады.