Введение
Белковая семья, вокруг которой ДНК наматывается с образованием нуклеосом.
В биологии гистоны – это высокоосновные белки, богатые остатками лизина и аргинина, которые содержатся в ядрах эукариотических клеток и в большинстве типов архей. Они функционируют как шпули, вокруг которых ДНК оборачивается, формируя структурные единицы, называемые нуклеосомами. Нуклеосомы, в свою очередь, свернуты в 30-нанометровые волокна, образующие плотно упакованный хроматин. Гистоны предотвращают спутывание ДНК и защищают ее от повреждений. Кроме того, гистоны играют важную роль в регуляции генов и репликации ДНК. Без гистонов развернутая ДНК в хромосомах была бы очень длинной. Например, каждая клетка человека содержит около 1,8 метров ДНК в полностью растянутом состоянии; однако, при наматывании на гистоны, эта длина сокращается примерно до 90 микрометров (0,09 мм) хроматиновых волокон диаметром 30 нм. Существует пять семейств гистонов, обозначаемых как H1/H5 (линкерные гистоны), H2, H3 и H4 (ядерные гистоны). Ядро нуклеосомы формируется из двух димеров H2A и H2B и тетрамера H3 и H4. Плотное оборачивание ДНК вокруг гистонов в значительной степени обусловлено электростатическим притяжением между положительно заряженными гистонами и отрицательно заряженным фосфатным остовом ДНК. Гистоны могут подвергаться химическим модификациям посредством действия ферментов для регуляции транскрипции генов. Наиболее распространенными модификациями являются метилирование остатков аргинина или лизина, а также ацетилирование лизина. Метилирование может влиять на взаимодействие других белков, таких как факторы транскрипции, с нуклеосомами. Ацетилирование лизина устраняет положительный заряд лизина, тем самым ослабляя электростатическое притяжение между гистоном и ДНК, что приводит к частичному раскручиванию ДНК и делает ее более доступной для экспрессии генов.
Эволюция и распространение видов
Ядровые гистоны обнаруживаются в ядрах эукариотических клеток и в большинстве типов архей, но не в бактериях. Однако более поздние исследования показали, что их ДНК всё ещё кодирует гены гистонов. В отличие от основных гистонов, гомологи лизин-богатого линкерного гистона (H1) встречаются у бактерий, также известных как нуклеопротеины HC1/HC2. Предполагается, что белки основных гистонов эволюционно связаны со спиральной частью расширенного домена AAA+ АТФазы, доменом C, и с N-концевым доменом распознавания субстрата белков Clp/Hsp100. Несмотря на различия в их топологии, эти три структуры имеют общий гомологичный мотив «геликс-нить-геликс» (HSH). Также высказано предположение, что они могли произойти от рибосомных белков (RPS6/RPS15), которые сами являются короткими и основными белками. Архейные гистоны вполне могут быть похожи на эволюционные предшественники эукариотических гистонов. Гистонные белки – одни из наиболее консервативных белков у эукариотов, что подчеркивает их важную роль в биологии ядра. В некоторых основных классах существуют варианты. Они обладают аминокислотной гомологией и структурным сходством с определённым классом основных гистонов, но также имеют собственные особенности, отличающие их от основных гистонов. Эти минорные гистоны обычно выполняют специфические функции в метаболизме хроматина. Например, гистон H3, подобно CENPA, связан только с центромерной областью хромосомы. Вариант гистона H2A, H2A.Z, связан с промоторами активно транскрибируемых генов и также участвует в предотвращении распространения тихого гетерохроматина. Кроме того, H2A.Z играет роль в поддержании геномной стабильности в хроматине. Другой вариант H2A, H2A.X, фосфорилируется в положении S139 в областях вокруг двухцепочечных разрывов и маркирует область, подвергающуюся репарации ДНК. Гистон H3.3 связан с телом активно транскрибируемых генов.
Сжатие нитей ДНК
Гистоны функционируют как шпули, вокруг которых наматывается ДНК. Это обеспечивает компактизацию, необходимую для размещения крупных геномов эукариот внутри клеточных ядер: уплотненная молекула в 40 000 раз короче, чем распакованная.
Изменение
Описан огромный каталог модификаций гистонов, но функциональное понимание большинства из них по-прежнему отсутствует. В целом, считается, что модификации гистонов могут быть основой гистонного кода, в соответствии с которым комбинации модификаций гистонов несут специфическую информацию. Однако, большая часть функциональных данных относится к отдельным, наиболее заметным модификациям гистонов, которые биохимически доступны для детального изучения.
Метилирование лизина
Добавление одной, двух или множества метильных групп к лизину незначительно влияет на химию гистона; метилирование не изменяет заряд лизина и добавляет минимальное количество атомов, поэтому стерические взаимодействия в основном остаются неизменными. Однако белки, содержащие, в частности, домены Тюдор, хромо или PHD, способны распознавать метилирование лизина с высокой чувствительностью и различать моно-, ди- и триметиллизин, причем для некоторых лизинов (например, H4K20) моно-, ди- и триметилирование, по-видимому, имеют различные биологические значения. Благодаря этому, метилирование лизина является весьма информативной модификацией и преобладает среди известных функций модификаций гистонов.
Серотонилирование глютамина
Недавно было показано, что присоединение серотониновой группы к глутамину в 5-й позиции гистона H3 происходит в серотонинергических клетках, таких как нейроны. Это является частью дифференцировки серотонинергических клеток. Данная посттрансляционная модификация происходит одновременно с модификацией H3K4me3. Серотонилирование усиливает связывание общего транскрипционного фактора TFIID с TATA-боксом.
Метилирование аргинина
То, что было сказано выше о химии метилирования лизина, применимо и к метилированию аргинина. Некоторые белковые домены – например, домены Тюдора – могут быть специфичны к метилированному аргинину, а не к метилированному лизину. Аргинин может быть моно- или диметилирован, при этом метилирование может быть симметричным или асимметричным, что потенциально имеет различное значение.
Цитруллирование аргинина
Ферменты, называемые пептидиларгинин-деиминазами (PAD), гидролизуют иминную группу аргининов и присоединяют кето-группу, в результате чего аминокислотный остаток теряет один положительный заряд. Этот процесс участвует в активации экспрессии генов, поскольку модифицированные гистоны слабее связываются с ДНК, что делает хроматин более доступным. PAD также могут оказывать противоположное действие, удаляя или ингибируя монометилирование остатков аргинина в гистонах и тем самым противодействуя положительному влиянию метилирования аргинина на транскрипционную активность.
Ацетилирование лизином
Добавление ацетильной группы оказывает существенное химическое воздействие на лизин, поскольку нейтрализует его положительный заряд. Это снижает электростатическое притяжение между гистоном и отрицательно заряженным каркасом ДНК, ослабляя структуру хроматина; сильно ацетилированные гистоны формируют более доступный хроматин и обычно ассоциированы с активной транскрипцией. Ацетилирование лизина, по-видимому, менее специфично по значению, чем метилирование, поскольку гистон-ацетилтрансферазы, как правило, воздействуют на несколько лизинов; вероятно, это связано с необходимостью модифицировать множество лизинов для существенного влияния на структуру хроматина. Данная модификация включает H3K27ac.
Фосфорилирование серином/треонином/тирозином
Добавление отрицательно заряженной фосфатной группы может приводить к существенным изменениям в структуре белка, что объясняет хорошо изученную роль фосфорилирования в регуляции функции белка. Структурные последствия фосфорилирования гистонов остаются неясными, однако фосфорилирование гистонов выполняет четко определенные функции как посттрансляционная модификация, и такие домены связывания, как BRCT, были охарактеризованы.
Влияние на транскрипцию
Наиболее хорошо изученные модификации гистонов вовлечены в регуляцию транскрипции.
Конденсация хромосом
Фосфорилирование H3 по серину 10 (фосфо H3S10) Митотическая киназа Aurora B фосфорилирует гистон H3 по серину 10, запуская каскад изменений, которые опосредуют конденсацию митотических хромосом. Следовательно, конденсированные хромосомы очень интенсивно окрашиваются по этому признаку, но фосфорилирование H3S10 также присутствует в определенных участках хромосом вне митоза, например, в перицентрической гетерохроматине клеток в фазе G2. Фосфорилирование H3S10 также связывают с повреждением ДНК, вызванным образованием R-петель в участках с высокой транскрипционной активностью. Фосфорилирование H2B по серину 10/14 (фосфо H2BS10/14) Фосфорилирование H2B по серину 10 (у дрожжей) или серину 14 (у млекопитающих) также связано с конденсацией хроматина, но с совершенно иной целью – опосредованием конденсации хромосом во время апоптоза. Этот признак не является просто поздним следствием апоптоза, поскольку дрожжи с мутациями в этом остатке устойчивы к апоптотической гибели клеток, индуцированной перекисью водорода.
Зависимость
Эпигенетические модификации гистонных хвостов в определенных областях мозга играют центральную роль в развитии зависимостей. Как только происходят определенные эпигенетические изменения, они, по-видимому, становятся долговременными "молекулярными шрамами", которые могут объяснять устойчивость зависимостей. После 7 дней лечения мышей никотином наблюдалось увеличение ацетилирования гистонов H3 и H4 в промоторе гена FosB в прилежащем ядре мозга, что привело к увеличению экспрессии FosB на 61%. Это также привело к увеличению экспрессии сплайс-варианта Delta FosB. В прилежащем ядре мозга Delta FosB функционирует как "устойчивый молекулярный переключатель" и "главный регуляторный белок" в развитии зависимости. Около 7% населения США страдает алкогольной зависимостью. У крыс, подвергавшихся воздействию алкоголя в течение 5 дней, наблюдалось увеличение ацетилирования лизина 9 гистона 3 в промоторе гена проноцицептина в комплексе миндалевидного тела мозга. Это ацетилирование является маркером активации проноцицептина. Система ноцицептин/ноцицептин-опиоидный рецептор участвует в подкрепляющих или обуславливающих эффектах алкоголя. Метамфетаминовая зависимость встречается примерно у 0,2% населения США. Хроническое употребление метамфетамина вызывает метилирование лизина в 4-й позиции гистона 3, расположенного в промоторах генов c-fos и C-C химикинового рецептора 2 (ccr2), активируя эти гены в прилежащем ядре (NAc). C-fos хорошо известен своей важной ролью в развитии зависимости. Ген ccr2 также важен для зависимости, поскольку мутационная инактивация этого гена ослабляет зависимость. Подавление экспрессии генов гистонов вне S-фаз зависит от белков Hir, которые формируют неактивную хроматиновую структуру в локусе генов гистонов, блокируя транскрипционные активаторы.
Метазоан
У метазоанов увеличение скорости синтеза гистонов обусловлено повышением эффективности процессинга пре-мРНК в зрелую форму, а также снижением деградации мРНК; это приводит к увеличению количества активной мРНК для трансляции белков гистонов. Механизм активации мРНК заключается в удалении участка с 3'-конца молекулы мРНК и зависит от её взаимодействия с белком, связывающим шпильку (SLBP). SLBP также стабилизирует мРНК гистонов во время S-фазы, блокируя деградацию 3'-экзонуклеазой. Уровень SLBP регулируется белками клеточного цикла, что приводит к накоплению SLBP при входе клеток в S-фазу и к его деградации при выходе из S-фазы. SLBP маркируется для деградации посредством фосфорилирования двух остатков треонина циклинозависимыми киназами, предположительно циклином A/cdk2, в конце S-фазы. У метазоанов также имеется множество копий генов гистонов, сгруппированных на хромосомах, которые локализованы в структурах, называемых тельцами Кахаля, что было установлено с помощью анализа захвата конформации хромосом (4C Seq).
Связь между контролем клеточного цикла и синтезом
Ядерный белок атаксии-телеангиэктазии (NPAT), также известный как ядерный белок – коактиватор транскрипции гистонов, является фактором транскрипции, который активирует транскрипцию генов гистонов на хромосомах 1 и 6 клеток человека. NPAT также является субстратом циклина E Cdk2, необходимого для перехода от фазы G1 к фазе S. NPAT активирует экспрессию генов гистонов только после фосфорилирования циклином E Cdk2 в начале S-фазы. Это демонстрирует важную регуляторную связь между контролем клеточного цикла и синтезом гистонов.
История
Гистоны были открыты в 1884 году Альбрехтом Косселем. Слово "гистон" датируется концом XIX века и происходит от немецкого слова "Histon", которое само по себе имеет неопределенное происхождение, возможно, от древнегреческого ἵστημι (hístēmi, «устанавливать, поддерживать») или ἱστός (histós, «ткань, станок»). В начале 1960-х годов, до того как были известны типы гистонов и до того, как было установлено, что гистоны высоко консервативны у таксономически разнообразных организмов, Джеймс Ф. Боннер и его коллеги начали изучение этих белков, которые, как было известно, тесно связаны с ДНК в ядре высших организмов. Боннер и его постдокторант Ру Чих Ц. Хуан показали, что изолированный хроматин не поддерживает транскрипцию РНК в пробирке, но если гистоны извлекались из хроматина, РНК могла быть транскрибирована из оставшейся ДНК. Их статья стала широко цитируемой классикой. Пол Т'со и Джеймс Боннер созвали Всемирный конгресс по химии и биологии гистонов в 1964 году, на котором стало ясно, что нет единого мнения относительно количества видов гистонов и никто не знал, как они будут сопоставимы при выделении из разных организмов. Например, они обнаружили высокую степень консервации последовательности гистона IV у гороха и телячьей тимуса. До начала 1990-х годов большинство исследователей считали гистоны инертным упаковочным материалом для эукариотической ядерной ДНК, что частично основывалось на моделях Марка Пташне и других, которые полагали, что транскрипция активируется взаимодействиями белок-ДНК и белок-белок на в основном «голых» шаблонах ДНК, как это происходит у бактерий. В 1980-х годах Яхли Лорч и Роджер Корнберг показали, что нуклеосома на ядре промотора препятствует инициированию транскрипции in vitro, а Майкл Грунштейн продемонстрировал, что гистоны подавляют транскрипцию in vivo, что привело к представлению о нуклеосоме как об общем репрессоре генов. Снятие репрессии, как считается, включает в себя как модификацию гистонов, так и действие комплексов ремоделирования хроматина. Винсент Олфри и Альфред Мирски ранее предложили роль модификации гистонов в транскрипционной активации, рассматриваемой как молекулярное проявление эпигенетики. Майкл Грунштейн и Дэвид Аллис нашли подтверждение этому предложению в важности ацетилирования гистонов для транскрипции у дрожжей и активности транскрипционного активатора Gcn5 как гистонацетилтрансферазы. Открытие гистона H5 датируется 1970-ми годами, и теперь он считается изоформой гистона H1.