Введение

Восьмибелковый комплекс, формирующий ядро нуклеосом.

В молекулярной биологии гистон-октамер – это восьмибелковый комплекс, находящийся в центре частицы ядра нуклеосомы. Он состоит из двух копий каждого из четырех основных белков гистонов (H2A, H2B, H3 и H4). Октамер образуется, когда тетрамер, содержащий две копии H3 и две копии H4, взаимодействует с двумя димерами H2A/H2B. Каждый гистон имеет как N-концевой хвост, так и C-концевой домен. Каждый из этих ключевых компонентов взаимодействует с ДНК по-своему посредством ряда слабых взаимодействий, включая водородные связи и ионные связи. Эти взаимодействия поддерживают слабое взаимодействие между ДНК и гистон-октамером и в конечном итоге позволяют им изменять положение или полностью разделяться.

История исследований

Модификации гистонов после трансляции были впервые идентифицированы и указаны как потенциально регулирующие синтез РНК в 1964 году. С тех пор, на протяжении нескольких десятилетий, теория хроматина претерпела значительные изменения. Модели субъединиц хроматина, а также концепция нуклеосомы были установлены в 1973 и 1974 годах соответственно. Ричмонду и его исследовательской группе удалось установить кристаллическую структуру гистонного октамера с обернутой вокруг него ДНК с разрешением 7 Å в 1984 году. Структура октамерного ядра комплекса была повторно исследована семь лет спустя, и для его кристалла при высокой концентрации соли было определено разрешение 3,1 Å. Несмотря на низкую степень сходства последовательностей между основными гистонами, каждый из четырех содержит повторяющийся элемент, состоящий из спирали-петли-спирали, называемый гистоновым мотивом. Более того, детали белок-белковых и белок-ДНК взаимодействий были уточнены с помощью исследований рентгеновской кристаллографии с разрешением 2,8 и 1,9 Å соответственно, в 2000-х годах.

Октамер гистонов в молекулярных деталях

Ядро гистонов состоит из четырех белков, называемых H2A, H2B, H3 и H4, и все они присутствуют в клетке в равных количествах. Все четыре основные аминокислотные последовательности гистонов содержат от 20 до 24% лизина и аргинина, а размер белка варьируется от 11400 до 15400 дальтонов, что делает их относительно небольшими, но сильно положительно заряженными белками. Формирование гетеродимеров основано на взаимодействии гидрофобных аминокислотных остатков между двумя белками. Каждый из четырех основных гистонов, помимо своих доменов гистоновой складки, также содержит гибкие, неструктурированные расширения, называемые гистоновыми "хвостами". Обработка нуклеосом протеазой трипсином показывает, что после удаления гистоновых хвостов ДНК способна оставаться плотно связанной с нуклеосомой. Помимо компактизации ДНК, гистон-октамер играет ключевую роль в транскрипции окружающей ДНК. Г истон-октамер взаимодействует с ДНК как через основные гистоновые складки, так и через N-концевые хвосты. Гистоновая складка взаимодействует химически и физически с малой бороздкой ДНК. Исследования показали, что гистоны более благоприятно взаимодействуют с областями, обогащенными A:T, чем с областями, обогащенными G:C, в малой бороздке. N-концевые хвосты не взаимодействуют с конкретной областью ДНК, а скорее стабилизируют и направляют ДНК, обернутую вокруг октамера. Однако взаимодействие между гистоновым октамером и ДНК не является постоянным. Их можно легко разделить, и это часто происходит во время репликации и транскрипции. Специфические ремоделирующие белки постоянно изменяют структуру хроматина, разрывая связи между ДНК и нуклеосомой.

Взаимодействие гистонов и ДНК

Гистоны состоят в основном из положительно заряженных аминокислотных остатков, таких как лизин и аргинин. Положительные заряды позволяют им тесно связываться с отрицательно заряженной ДНК посредством электростатических взаимодействий. Нейтрализация зарядов в ДНК позволяет ей стать более плотно упакованной. Когда ДНК обертывается вокруг гистонного октамера, она экспонирует свою минорную бороздку гистонному октамеру в 14 различных местах. В этих местах они взаимодействуют посредством ряда слабых, нековалентных связей. Основной источник этих связей – водородные связи, как прямые, так и опосредованные водой. Гистоны – это положительно заряженные молекулы, обеспечивающие более прочное связывание с отрицательно заряженной молекулой ДНК. Снижение положительного заряда гистонных белков уменьшает прочность связывания между гистоном и ДНК, делая ДНК более доступной для транскрипции (экспрессии) генов. Основная идея данной методики заключается в освобождении участка ДНК, который гистонный октамер обычно связывает достаточно плотно. Хотя механизм этой методики недостаточно изучен, наиболее распространенная гипотеза предполагает, что перемещение происходит подобно движению гусеницы ("inchworm"). В этом методе, используя АТФ в качестве источника энергии, транслоказный домен нуклеосомного ремоделирующего комплекса отделяет небольшой участок ДНК от гистонного октамера. Эта "волна" ДНК, спонтанно разрывая и восстанавливая водородные связи по мере продвижения, распространяется вдоль нуклеосомной ДНК до последнего участка связывания с гистонным октамером. Как только волна достигает конца гистонного октамера, избыток ДНК, находившийся на краю, удлиняется в область линкерной ДНК. В итоге, один цикл этого метода перемещает гистонный октамер на несколько пар оснований в определенном направлении – от направления распространения волны.

Клиническая значимость

Многочисленные исследования показывают связь между возрастными заболеваниями, врожденными дефектами и рядом типов рака с нарушением определенных посттрансляционных модификаций гистонов. Исследования выявили, что N- и C-концевые хвосты являются основными мишенями для ацетилирования, метилирования, убиквитинирования и фосфорилирования. Новые данные указывают на наличие нескольких модификаций внутри гистонового ядра. Исследования направлены на расшифровку роли этих модификаций гистонового ядра в области взаимодействия гистонов с ДНК в хроматине. p300 и белок, связывающий элементы ответа на цАМФ (CBP), обладают гистонацетилтрансферазной активностью. p300 и CBP являются наиболее неспецифичными ферментами гистонацетилтрансферазы, ацетилирующими все четыре основных гистона в нескольких остатках. Лизин 18 и лизин 27 в H3 были единственными участками ацетилирования гистонов, снижение которых наблюдалось при истощении CBP и p300 в эмбриональных фибробластах мыши. Кроме того, у мышей с нокаутом по генам CBP и p300 наблюдается дефект нервной трубки, что приводит к их гибели до рождения. Эмбрионы p300−/− демонстрируют дефектное развитие сердца. Мыши CBP+/− проявляют задержку роста, краниофациальные аномалии и гематологические злокачественные новообразования, которые не наблюдаются у мышей с p300+/−. Мутации гена p300 были выявлены в опухолях человека, таких как колоректальный рак, рак желудка, молочной железы, яичников, легких и поджелудочной железы. Также активация или изменение локализации двух гистонацетилтрансфераз может приводить к онкогенезу.