Введение

Один из пяти основных гистонных белков. Гистон H2A – один из пяти основных гистонных белков, участвующих в структуре хроматина в эукариотических клетках. Другие гистонные белки: H1, H2B, H3 и H4.

Предыстория

Гистоны — это белки, которые упаковывают ДНК в нуклеосомы. Гистоны отвечают за поддержание формы и структуры нуклеосомы. Одна молекула хроматина состоит как минимум из одного экземпляра каждого из основных гистонов на 100 пар оснований ДНК. На сегодняшний день известно пять семейств гистонов; эти гистоны называются H1/H5, H2A, H2B, H3 и H4. H2A считается основным гистоном, наряду с H2B, H3 и H4. Формирование ядра начинается с взаимодействия двух молекул H2A. Термин «гистон H2A» намеренно неспецифичен и относится к ряду тесно связанных белков, которые часто различаются лишь несколькими аминокислотами. Помимо канонической формы, известные варианты включают H2A.1, H2A.2, H2A.X и H2A.Z. Варианты H2A можно исследовать с помощью базы данных «HistoneDB with Variants».

Изменения в составе вариантов происходят в дифференцирующихся клетках. Это наблюдалось в дифференцирующихся нейронах во время синтеза и обновления; изменения в составе вариантов были выявлены среди гистона H2A.1. Единственным вариантом, который оставался постоянным в процессе нейронной дифференциации, был вариант H2A.Z.

Физически, небольшие изменения на поверхности нуклеосомы отличают гистон от H2A. Недавние исследования показывают, что H2AZ включается в нуклеосому с помощью Swr1, аденозинтрифосфатазы, связанной с Swi2/Snf2. Другой идентифицированный вариант H2A — H2AX. Этот вариант имеет C-концевое расширение, которое используется для репарации ДНК. Метод репарации, используемый этим вариантом, — это нехомологичное соединение концов. Прямые повреждения ДНК могут вызывать изменения в вариантах последовательности. Эксперименты с ионизирующим излучением связали γ-фосфорилирование H2AX с разрывами двойной нити ДНК. Большое количество хроматина вовлечено в каждый разрыв двойной нити ДНК; ответом на повреждение ДНК является образование γH2AX. Наконец, вариант MacroH2A — это вариант, похожий на H2A; он кодируется геном H2AFY. Этот вариант отличается от H2A добавлением складчатого домена в его C-концевом хвосте. MacroH2A экспрессируется в неактивной X-хромосоме у самок.

Структура

H2A состоит из основного глобулярного домена, N-концевого хвоста и C-концевого хвоста. Оба хвоста являются местом посттрансляционных модификаций. На данный момент исследователям не удалось выявить каких-либо вторичных структур в хвостах. H2A использует белковое сворачивание, известное как «гистонный фолд». Гистонный фолд представляет собой трехспиральный основной домен, соединенный двумя петлями. Это соединение формирует «подобие рукопожатия». Особенно важно отметить, что это называется мотивом «спираль-поворот-спираль», который обеспечивает димеризацию с H2B. Гистонный фолд сохраняется у H2A на структурном уровне, однако генетическая последовательность, кодирующая эту структуру, различается у разных вариантов. Структура варианта macroH2A была определена с помощью рентгеновской кристаллографии. Консервативный домен содержит структуру, связывающую ДНК, и пептидазный фолд. Функция этого консервативного домена остается неизвестной. Исследования предполагают, что этот консервативный домен может служить местом прикрепления для ДНК Xist или также функционировать как модифицирующий фермент.

Реакция на повреждение ДНК

Убиквитинирование гистона H2A, специфичное для определенного участка, играет роль в рекрутировании белков, участвующих в репарации ДНК, к двунитевым разрывам ДНК, которые затем могут быть восстановлены посредством гомологичной рекомбинации или негомологичного соединения концов. В процессе ответа на повреждение ДНК считается, что убиквитинирование H2A гетеродимером BRCA1/BARD1 способствует гомологичной рекомбинации, а убиквитинирование H2A белком RNF168 – негомологичному соединению концов. Различные функции H2A.Z по сравнению с H2A коррелируют с генетическими различиями между H2A и этим вариантом. Устойчивость к нуклеосомам в H2A.Z обеспечивается связыванием с фактором H1. Ген H2A.Z является эссенциальным геном у дрожжей и обозначается как Htz1. У позвоночных, в свою очередь, имеется два гена H2A.Z – H2A.Z1 и H2A.Z2, кодирующие белки, отличающиеся от H2A.Z на три аминокислотных остатка. Изначально исследователи предполагали, что эти гены избыточны, однако создание мутантного H2A.Z1 привело к летальности в экспериментах на млекопитающих. Таким образом, H2A.Z1 является эссенциальным геном. Функция варианта H2A.Z2 пока исследователями не установлена, хотя известно, что он транскрибируется у млекопитающих, и экспрессия этого гена сохраняется у различных видов млекопитающих. Это сохранение указывает на функциональность гена. При изучении H2A.Z у растений было обнаружено, что белок различается по аминокислотным остаткам в зависимости от вида, и эти различия вносят вклад в различия в регуляции клеточного цикла. Это явление наблюдается только у растений. Для демонстрации дивергенции вариантов от их предков были построены филогенетические деревья. Дивергенция варианта H2A.X от H2A произошла в нескольких независимых точках на филогенетическом дереве. Появление мотива фосфорилирования согласуется с множественным происхождением H2A.X от предкового H2A. Наконец, присутствие H2A.X и отсутствие H2A у грибов позволяет исследователям предположить, что H2A.X является исходным предком гистонного белка H2A.

Изменение H2A

Модификация H2A является предметом текущих исследований. Однако модификация H2A все же происходит. На H2A были идентифицированы сайты фосфорилирования серина. Также на H2A обнаружено O-GlcNAc-модифицирование треонина. Существуют значительные различия между модифицированными остатками различных вариантов H2A. Например, H2ABbd лишен модифицированных остатков, присутствующих в H2A. Эти различия в модификации изменяют функцию H2ABbd по сравнению с H2A. Как уже упоминалось, вариант H2AX участвует в репарации ДНК. Эта функция зависит от фосфорилирования C-концевого домена H2AX. После фосфорилирования H2AX он может функционировать в процессе репарации ДНК. Вариант H2A.X отличается от H2A посредством модификаций. C-концевой домен H2A.X содержит дополнительный мотив по сравнению с H2A. Этот мотив представляет собой Ser Gln (Glu/Asp) (гидрофобный остаток). Мотив подвергается интенсивному фосфорилированию по остатку серина; при этом фосфорилировании вариант превращается в γH2A.X. Фосфорилирование происходит при разрывах двухцепочечной ДНК. Модификации гистонных белков иногда могут приводить к изменению их функции. Различные варианты H2A используются для выполнения различных функций, обладают различными генетическими последовательностями и модификациями.