Хроматин и роль гистона H1 в его структуре.

Введение

Компоненты хроматина в эукариотических клетках

Гистон H1 – один из пяти основных семейств гистонных белков, входящих в состав хроматина эукариотических клеток. Несмотря на высокую степень консервации, он является наиболее вариабельным гистоном по аминокислотной последовательности у разных видов.

Структура

Белки метазоев H1 характеризуются центральным шарообразным доменом "крылатой спирали" и длинными C- и короткими N-концевыми хвостами. H1 участвует в компактизации подструктур "бусы на нити" в высокоупорядоченную структуру, детали которой пока не установлены. H1, обнаруженный у протистов и бактерий, также известный как нуклеопротеины HC1 и HC2, лишен центрального домена и N-концевого хвоста. H1 менее консервативен, чем основные гистоны. Глобулярный домен является наиболее консервативной частью H1. Значительные знания о гистоне H1 получены в ходе исследований очищенных хроматиновых волокон. Ионная экстракция линкерных гистонов из нативного или реконструированного хроматина способствует его разворачиванию в гипотонических условиях – от волокон шириной 30 нм до нуклеосомных массивов типа "бусы на нити". Неясно, способствует ли H1 формированию хроматиновых волокон, подобных соленоиду, в которых укорачивается линкерная ДНК, или он лишь изменяет угол между соседними нуклеосомами, не влияя на длину линкера. Однако было показано, что линкерные гистоны стимулируют компактизацию хроматиновых волокон, реконструированных in vitro с использованием синтетических массивов ДНК, содержащих сильный элемент позиционирования нуклеосом "601". Эксперименты с нуклеазным перевариванием и ДНК-футпринтингом показывают, что глобулярный домен гистона H1 локализуется вблизи диады нуклеосомы, где он защищает примерно 15-30 пар оснований дополнительной ДНК. Кроме того, эксперименты с реконструированным хроматином выявили характерный штифтовидный мотив в области диады в присутствии H1. Несмотря на пробелы в понимании, сформировалась общая модель, согласно которой глобулярный домен H1 замыкает нуклеосому, образуя перекрестные связи между входящей и исходящей ДНК, а хвост связывается с линкерной ДНК и нейтрализует ее отрицательный заряд. В экстрактах яиц Xenopus истощение линкерных гистонов вызывает примерно двукратное удлинение митотических хромосом, в то время как их избыточная экспрессия приводит к гиперкомпактизации хромосом в неразделимую массу. Полный нокаут H1 in vivo не был достигнут в многоклеточных организмах из-за существования множества изоформ, которые могут быть представлены в нескольких кластерах генов, однако различные изоформы линкерных гистонов были истощены в разной степени у Tetrahymena, C. elegans, Arabidopsis, дрозофилы и мыши, что привело к различным видоспецифическим дефектам в морфологии ядра, структуре хроматина, метилировании ДНК и/или специфической экспрессии генов.

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.

Динамика

В то время как большинство гистона H1 в ядре связано с хроматином, молекулы H1 перемещаются между областями хроматина с довольно высокой скоростью. Трудно понять, как такой динамичный белок может быть структурным компонентом хроматина, но предполагается, что стационарное равновесие в ядре всё ещё значительно благоприятствует ассоциации между H1 и хроматином, то есть, несмотря на свою динамику, подавляющее большинство H1 в любой момент времени связано с хроматином. H1 уплотняет и стабилизирует ДНК при приложении силы и во время сборки хроматина, что позволяет предположить, что динамическое связывание H1 может обеспечивать защиту ДНК в ситуациях, когда необходимо удалить нуклеосомы. Цитоплазматические факторы, по-видимому, необходимы для динамического обмена гистона H1 на хроматине, однако они пока не были конкретно идентифицированы. Динамика H1 может в некоторой степени определяться O-гликозилированием и фосфорилированием. O-гликозилирование H1 может способствовать конденсации и уплотнению хроматина. Показано, что фосфорилирование в интерфазе снижает аффинность H1 к хроматину и может способствовать деконденсации хроматина и активной транскрипции. Однако, было показано, что фосфорилирование во время митоза повышает аффинность H1 к хромосомам и, следовательно, способствует конденсации митотических хромосом. Одной из изоформ является гистон H5, который встречается только в эритроцитах птиц, которые, в отличие от эритроцитов млекопитающих, имеют ядра. Другая изоформа – это изоформа H1M (также известная как B4 или H1foo), обнаруженная у морских ежей, лягушек, мышей и людей, которая заменяется в эмбрионе соматическими изоформами H1A, E и H10, напоминающей H5. Несмотря на большее количество отрицательных зарядов, чем у соматических изоформ, H1M связывается с более высокой аффинностью с митотическими хромосомами в экстрактах яиц *Xenopus*. Эти ПТМ выполняют разнообразные функции, но изучены хуже, чем ПТМ других гистонов.