Эукариота жасушаларының хроматинінің H1 гистоны құрамы

Кіріспе

Эукариоттық жасушалардағы хроматиннің құрамы

H1 гистоны – эукариоттық жасушалардағы хроматиннің құрамына кіретін бес негізгі гистон ақуыздарының бірі. Өте сақталғанмен, түрлер арасындағы аминқышқылдық тізбегі бойынша ең өзгермелі гистон болып табылады.

Құрылымы

Метазоалық H1 ақуыздары орталық шар тәрізді "қанатты спираль" доменін, сондай-ақ ұзын C және қысқа N терминалдық құйрықтарын қамтиды. H1 "тізбектегі бұрыштар" субқұрылымдарын жоғары реттік құрылымға жинақтауға қатысады, оның толық егжей-тегжейі әлі анықталған жоқ. Протистер мен бактерияларда табылған H1, басқаша айтқанда нуклеопротеиндер HC1 және HC2 (, ), орталық домен мен N терминалдық құйрықтан мүлдем айырылған. H1 негізгі гистондарға қарағанда нашар сақталады. Глобулярлық домен H1-дің ең көп сақталатын бөлігі болып табылады. Тазартылған хроматин талшықтарын зерттеу арқылы гистон H1 туралы көп мәліметтер алынды. Түпнұсқа немесе қайта құрылған хроматиннен линкерлік гистондарды иондық экстракциялау, гипотониялық жағдайларда 30 нм ені бар талшықтардан "тізбектегі бұрыштар" нуклеосомалық жиынтығына дейін олардың ашылуына көмектеседі. H1 хроматин талшығына ұқсас соленоид құрылымын қалыптастыра ма, онда ашық линкерлік ДНК қысқарады ма, әлде ол жай ғана жақын орналасқан нуклеосомалардың бұрышын өзгертеді, линкерлік ұзындығына әсер етпейді ме, әлі белгісіз. Дегенмен, линкерлік гистондардың ин витрода "601" нуклеосомалық позициялық элементтерінің синтетикалық ДНК жиынтықтарын қолдана отырып, қайта құрылған хроматин талшықтарының ықшамдалуын қамтамасыз ететіні көрсетілді. Нуклеазамен қорыту және ДНК іздеу эксперименттері гистон H1-дің глобулярлық доменінің нуклеосомалық диадаға жақын орналасқанын, онда ол қосымша 15-30 базалық жұп ДНК-ны қорғайтынын көрсетеді. Сонымен қатар, қайта құрылған хроматинмен жүргізілген тәжірибелер H1 қатысқанда диададағы ерекше сабақ мотивінің бар екенін көрсетті. Біздің түсінігіміздегі кемшіліктерге қарамастан, H1-дің глобулярлық домені кіріс және шығыс ДНК-ны байланыстыру арқылы нуклеосоманы жабатыны, ал құйрығы линкерлік ДНК-ға байланысып, оның теріс зарядын бейтараптайтыны туралы жалпы модель пайда болды. Ксенопустың жұмыртқаларының сығындыларында линкерлік гистонның азайтылуы митоздық хромосомалардың ұзындығы бойынша ~2 есеге дейін созылуына, ал оның шамадан тыс экспрессиясы хромосомалардың ажырамас массаға дейін гиперкомпакттануына әкеледі. Көпжасушалы организмдерде H1-дің толық жойылуына бірнеше ген кластерлерінде кездесетін бірнеше изоформалардың болуына байланысты қол жеткізілмеді, бірақ Tetrahymena, C. elegans, Arabidopsis, жеміс шыбыны және егешқұйрықтарда әртүрлі линкерлік гистон изоформалары әртүрлі дәрежеде азайтылды, нәтижесінде ядролық морфология, хроматин құрылымы, ДНК метилденуі және/немесе нақты ген экспрессиясында организмге тән ақаулар пайда болды.

Metazoan H1 proteins feature a central globular "winged helix" domain and long C and short N terminal tails. H1 is involved with the packing of the "beads on a string" sub structures into a high order structure, whose details have not yet been solved. H1 found in protists and bacteria, otherwise known as nucleoproteins HC1 and HC2 (, ), lack the central domain and the N terminal tail. H1 is less conserved than core histones. The globular domain is the most conserved part of H1. Much has been learned about histone H1 from studies on purified chromatin fibers. Ionic extraction of linker histones from native or reconstituted chromatin promotes its unfolding under hypotonic conditions from fibers of 30 nm width to beads on a string nucleosome arrays. It is uncertain whether H1 promotes a solenoid like chromatin fiber, in which exposed linker DNA is shortened, or whether it merely promotes a change in the angle of adjacent nucleosomes, without affecting linker length However, linker histones have been demonstrated to drive the compaction of chromatin fibres that had been reconstituted in vitro using synthetic DNA arrays of the strong '601' nucleosome positioning element. Nuclease digestion and DNA footprinting experiments suggest that the globular domain of histone H1 localizes near the nucleosome dyad, where it protects approximately 15 30 base pairs of additional DNA. In addition, experiments on reconstituted chromatin reveal a characteristic stem motif at the dyad in the presence of H1. Despite gaps in our understanding, a general model has emerged wherein H1's globular domain closes the nucleosome by crosslinking incoming and outgoing DNA, while the tail binds to linker DNA and neutralizes its negative charge. In Xenopus egg extracts, linker histone depletion causes ~2 fold lengthwise extension of mitotic chromosomes, while overexpression causes chromosomes to hypercompact into an inseparable mass. Complete knockout of H1 in vivo has not been achieved in multicellular organisms due to the existence of multiple isoforms that may be present in several gene clusters, but various linker histone isoforms have been depleted to varying degrees in Tetrahymena, C. elegans, Arabidopsis, fruit fly, and mouse, resulting in various organism specific defects in nuclear morphology, chromatin structure, DNA methylation, and/or specific gene expression.

Динамикасы

Ядродағы H1 гистонының көп бөлігі хроматинмен байланысқан болса да, H1 молекулалары хроматин аймақтары арасында салыстырмалы түрде жоғары жылдамдықпен қозғалады. Мұндай динамикалық белоктың хроматиннің құрылымдық компоненті болуын түсіну қиын, бірақ ядро ішіндегі тұрақты тепе-теңдік H1 мен хроматин арасындағы байланысты күшейтеді, яғни оның динамикасына қарамастан, кез келген уақытта H1-дің басым бөлігі хроматинмен байланысқан болады. H1 күш түсірілгенде және хроматин құрастырылғанда ДНК-ны тығыздайды және тұрақтандырады, бұл H1-дің динамикалық байланысы нуклеосомалар алынған кезде ДНК-ны қорғауға мүмкіндік береді дегенді көрсетеді. Хроматиндегі H1 гистонының динамикалық алмасуы үшін цитоплазмалық факторлар қажет болып көрінеді, бірақ олар әлі нақты анықталған жоқ. H1 динамикасы белгілі бір деңгейде O-гликозилдеу және фосфорилдеу арқылы реттелуі мүмкін. H1-дің O-гликозилдеуі хроматиннің конденсациясын және тығыздалуын күшейте алады. Интерфаза кезінде фосфорилдеу хроматинге H1-дің байланысын әлсіретеді және хроматиннің декондесациясын және белсенді транскрипцияны ынталандыруы мүмкін. Алайда, митоз кезінде фосфорилдеу H1-дің хромосомаларға байланысын күшейтетіні және митоздық хромосомалардың конденсациясын ынталандыратыны көрсетілді. Тағы бір изоформа – H5 гистоны, ол тек құстардың эритроциттерінде ғана кездеседі, ал сүтқоректілердің эритроциттерінен айырмашылығы – оларда ядро болады. Басқа изоформа – теңіз естілесі/зиготалық H1M изоформасы (сондай-ақ B4 немесе H1foo деп те аталады), ол теңіз құйрықтарында, бақаларда, егеуқұйрықтарда және адамдарда кездеседі, ал эмбрионда H1A E соматикалық изоформаларымен және H5-ке ұқсас H10-мен алмастырылады. Соматикалық изоформаларға қарағанда көбірек теріс зарядтары болғанына қарамастан, H1M Xenopus жұмыртқасының сығындыларында митоздық хромосомаларға жоғарырақ байланыс күшімен байланысады. Бұл пост-аудармалық модификациялар (PTM) әртүрлі функцияларды атқарады, бірақ басқа гистондардың PTM-деріне қарағанда аз зерттелген.