Гистоновые

Катится, катится к ДНК гистон

Гистоновые

Каждый раз, когда клетки делятся митозом или мейозом, их ДНК расплетается и удваивается, умудряясь при этом сохранять свою структуру и целостность.

Ювелирная упаковка ДНК (обеспечиваемая гистонами) жизненно важна, ведь именно от неё зависит, какие гены будут считываться и работать в той или иной клетке.

Подробности того, как ДНК удаётся упаковаться каждый раз правильным образом и как происходит транспортировка нужных гистонов к месту сборки, выясняла команда биологов из Биотехнологического центра исследований и инноваций Университета Северной Дании и Университета Копенгагена. Эта работа вошла в кандидатскую диссертацию Илназ Климовской, сейчас — менеджера медицинских и научных проектов в «Новартис Фарма» в Москве. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей, проведенного на конференции «Биология — наука 21 века» в 2014 году.

О первом рождении мира гипотезам несть конца:Началом начал полагают кто Взрыв, кто — Слово…А наша-то с вами жизнь началась с яйца,С зиготы, начнём, как Гораций писал, «ab ovo».А в этой зиготе запрятан один геном.

Так как же так вышло, что клетки столь разной мастиЖивущие в почках и в коже, в мозгу спинномВозникли посредством деленья её на части?Здесь эпигенетика может помочь отыскать ответ:Письмом древних инков намотана на гистоныВся нить ДНК, гены — будто узлы на ней,Причина в том разночтений транскрипционных.

[attention type=yellow]

И в этом для клеток содержится знак судьбы,Решенье — меняться ль, стабильность свою поддержать ли,Кем стать: миоцитом, секреторной клеткой быть,Нейроном — сомкнуть своих синапсов рукопожатья?

[/attention]Гистоны

, как поезд, подвозит белок Asf1.Движенье его контролируется ферментом…Читайте: мы ниже всю эту картину полней дадим,

Расскажем подробнее об интересных моментах.

Известно, что все клетки многоклеточного организма имеют одинаковый геном.

Впрочем, данное утверждение не совсем точно — столь длинный код не может триллионократно копироваться без единой ошибки, чтобы все копии были абсолютно идентичны, но большинство «опечаток» всё же остаются незамеченными из-за избыточности генетического кода.

Одно «слово» — код одной аминокислоты, или триплет, — может быть заменено другим, синонимичным ему, и такого рода «опечатка» не приведёт к смысловой замене в кодируемом белке.

Выходит, сотни и тысячи типов клеток, различающихся в зависимости от местоположения и функции, развиваются из одной и той же зиготы.

Значит, один набор хромосом формирует и округлый со вмятинкой посередине безъядерный эритроцит, и многоядерную веретенообразную клетку поперечнополосатой мышечной ткани, и тянущие друг к другу руки отростков нейроны, и секреторную клетку поджелудочной железы, и все остальные клетки, в которых производятся специфические, только им необходимые белки и проходят такие разные химические реакции?

Клетки, на которые поделится зигота, несмотря на свою видимую идентичность, имеют огромный потенциал вариабельности. Так и две капли воды, кажущиеся абсолютно одинаковыми, могут иметь совершенно разный состав примесей, разное микробное «население» и ещё множество недоступных невооружённому глазу отличий.

Но если с каплями всё понятно (они могут быть неразличимы на вид, но взяты из разных водоёмов или содержать разные добавки), то оплодотворённая яйцеклетка одна, и никто не добавляет вещества в поделившиеся клетки извне.

Как же так получается? Если геном одинаков, а клетки все разные, — здесь явно задействованы какие-то механизмы, не связанные с последовательностью нуклеотидов в цепочке. Такие изменения иногда называют «надгеномными». Они происходят в течение жизни организма и могут передаваться потомству, хотя не влияют на последовательность ДНК (см.

«Рыбки Danio rerio наследуют модификации ДНК от отца» [3]). Изучением таких изменений занимается наука эпигенетика, рассказывающая про три основных способа надгеномного регулирования:

  1. Метилирование ДНК (добавление к некоторым участкам метильной группы — СН3).
  2. Некодирующие РНК (не содержат информации о белке, но выступают в роли регуляторов, способных «включать» и «выключать» гены и контролировать мобильные элементы генома) [4].
  3. Модификация гистонов (этот путь предоставляет большие возможности для воплощения самых разнообразных фантазий природы: есть широкий спектр меток, которые можно присоединять к гистонам, чтобы управлять их работой и влиять таким образом на активность генов).

Рисунок 1. Клетки одного и того же организма — самые непохожие близнецы, хотя и являются, по сути, копиями

Драгоценное кружево и узелковое письмо: зачем и как ДНК упаковывают в хроматин

Рисунок 2. Узелковое письмо кипу

Если бы мы смогли посмотреть на молекулу ДНК, мы увидели бы, что она похожа на очень длинную (примерно 1 метр — а ведь она умещается в клеточном ядре!) тонкую нить, плавающую, на первый взгляд, спутанным, но на деле — организованным комком в ядре клетки.

Но простота такой модели обманчива (потому что в действительности всё намного интереснее) — перед тем, как клетка делится, нить упаковывается ещё плотнее, определённым образом «наматываясь на катушку», состоящую из белков-гистонов, образуя нуклеосому (структурную единицу хроматина).

Зачем вообще образуется хроматин? Во-первых, упаковка ДНК в организованную структуру даёт широкий простор для регуляции считывания информации, заложенной в ней.

[attention type=red]

Какие-то участки можно оставить более открытыми, какие-то — более закрытыми, влияя тем самым на то, какая информация будет считываться.

[/attention]

Во-вторых, нить в развёрнутом виде длинная, тонкая, может легко запутаться, порваться, а повреждение её чревато серьёзными последствиями (вплоть до гибели клетки).

Нить ДНК уязвима для веществ, растворённых в цитоплазме клетки (туда она попадает после того, как в процессе деления защитный «сейф» ядерной оболочки, где клетка хранит своё главное богатство, растворяется), её запросто может без всякого злого умысла покромсать на кусочки какой-нибудь фермент. Оставить тонкую нить ДНК без защиты никак нельзя.

Вот представьте: вы купили в магазине большой моток дорогого прелестного и невероятно тонкого кружева ручной работы. Что будет, если вы его в размотанном виде начнёте протаскивать его сквозь терновые заросли? Правильно, оно порвётся в клочки. Но если его красиво, аккуратно и компактно упаковать, этого не произойдёт.

Наша ДНК — творение куда более сложное, ценное, прекрасное и, не побоюсь этого слова, грандиозное, потому что ещё и несет на себе важное послание — нуклеотидный текст, ошибки в котором могут стать причиной серьёзных заболеваний, в том числе онкологических.

Поэтому эволюция позаботилась о создании эффективного механизма упаковки такого бесценного сокровища — это и есть хроматин, о котором говорилось выше.

В генах нити ДНК, как в узелковом письме инков (кипу), записаны инструкции по сборке белков из аминокислот. От плотности «обмотки» вокруг гистонов зависит, какие гены будут «видны» транскрипционным факторам (ТФ) [5], прочитаны ими, и, следовательно, какие гены будут работать.

Когда клетки делятся самым распространённым — митотическим — способом, внутри родительской клетки удваиваются и затем делятся между двумя дочерними все их составные компоненты, в том числе и ДНК.

Для упаковки удвоенного количества ДНК в хроматин клетке нужно в два раза больше гистонов, этих строительных блоков, создающих каркас архитектуры хроматина.

Производство гистонов и производство ДНК в клетке чётко скоординированы. Эти два процесса похожи на циркачей, выполняющих совершенно синхронные трюки. Гистоны не возникают в нужное время и в нужном месте сами собой. Они производятся в цитоплазме клетки, поэтому им надо ещё как-то добраться до ядра, где спрятана клеточная ДНК.

[attention type=green]

Транспортирует эти «кирпичики» на стройку специальный белок Asf1. Он относится к классу шаперонов — вспомогательных белков, которые отвечают за целостность и эффективность различных белков-партнёров.

[/attention]

Именно Asf1 занимается высокоточной доставкой гистонов — то есть, является поставщиком строительного материала к месту возведения очередного шедевра природной архитектуры — хроматина.

Эй, прибавь-ка ходу, машинист!

Asf1, который занимается перевозкой димера (объединения из двух молекул) гистонов H3—H4, может фосфорилироваться (присоединять остаток фосфорной кислоты) ферментом TLK1 (tousled- kinase). Исследователи нашли сайты фосфорилирования — «крючочки», куда фермент может «повесить» фосфатную группу.

С помощью метода масс-спектрометрии их нанесли на карту, показав, что фосфорилирование происходит во многих точках «хвостика» молекулы, содержащего сериновые и треониновые аминокислотные остатки.

TLK1 особенно активен в тот промежуток времени, когда удваивается ДНК и синтезируются гистоны, — в S-фазе интерфазы (синтетического периода в промежутке между клеточными делениями), — затем его количество в клетке уменьшается.

Фосфорилируя белок Asf1, TLK1 превращает его в высокоскоростной и сверхточный товарный поезд, обеспечивающий немедленную доставку «строительных материалов» к месту удвоения ДНК и сборки хроматина. Таким образом, учёные вышли на новый уровень понимания того, как регулируется развитие клеток.

Верные и стоящие на своём месте гистоны определяют судьбу клетки: правильно ли она делает, если хочет стать непохожей на других? Стимулирует ли она рост и развитие организма, или встала на кривую дорожку, которая приведёт к онкологическому заболеванию?

Рисунок 3. TLK-1 (как и другие человеческие TLK) активен в синтетическом периоде интерфазы и подавляется действием репликативного стресса (нарушения правильного удвоения ДНК, что как раз и приводит к повреждению молекулы и может стать причиной онкологических заболеваний).

Возможно, фосфорилирование Asf1 играет ключевую роль в транспортировке гистонов и сборке хроматина как во время нормального течения S-фазы (синтетического периода интерфазы), так и в ответ на репликативный стресс. Отсюда — надежды исследователей найти способ воздействия на раковые клетки, чтобы снизить их устойчивость к лечению.

CAF-1 (chromatin assembly factor 1) и HIRA — ещё два из множества гистоновых шаперонов, участвующих в сборке хроматина.

В дальнейшем команда исследователей собирается глубже вникнуть в процесс дупликации хроматина и найти методы воздействия на деление и развитие опухолевых клеток с помощью TLK1 (например, нарушить поставки к ним гистонов при удвоении ДНК), постаравшись сделать раковые клетки менее устойчивыми.

Гистоныобширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация. Существует пять различных типов гистонов H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны H2A, H2B, H3, H4, называемых кóровыми гистонами (от англ. core — сердцевина), формируют нуклеосому, представляющую собой белковую глобулу, вокруг которой накручена нить ДНК. Гистон H1/H5, называемый линкерным гистоном (от англ. link — связь), связывается с внешней стороной нуклеосомы, фиксируя на ней нить ДНК.Ки́пу(кечуа khipu -> исп. quipu — «узел», «завязывать узлы», «счёт»; аймара chino — чино) древняя мнемоническая и счётная система инков и их предшественников в Андах, своеобразная письменность: представляет собой сложные верёвочные сплетения и узелки, изготовленные из шерсти южноамериканских верблюдовых (альпаки и ламы) либо из хлопка.Некодирующие РНК(non-coding RNA, ncRNA) это молекулы РНК, которые не транслируются в белки. Ранее использовавшийся синоним, малые РНК (smRNA, small RNA), в настоящее время не используется, так как некоторые некодирующие РНК могут быть очень большими, например, Xist [6]. Последовательность ДНК, на которой транскрибируются некодирующие РНК, часто называют РНК-геном.Нуклеосомаэто структурная часть хроматина, образованная совместной упаковкой нити ДНК с гистоновыми белками H2А, H2B, H3 и H4. Последовательность нуклеосом, соединенная гистоновым белком H1, формирует нуклеофиламент (нуклеосомную нить).Фосфорилированиепроцесс переноса остатка фосфорной кислоты от фосфорилирующего агента-донора к субстрату, как правило, катализируемый ферментами и ведущий к образованию эфиров фосфорной кислоты.Хроматин(греч. χρωματα — цвета, краски) вещество хромосом — комплекс ДНК, РНК и белков. Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.Шаперо́ны(англ. chaperones) класс белков, главная функция которых состоит в восстановлении правильной нативной третичной или четвертичной структуры белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов.Эпигенетика(греч. επι — над, выше, внешний) изучение изменения экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательности ДНК. Эпигенетические изменения сохраняются в ряде клеточных митотических делений, а также могут передаваться следующим поколениям при мейозе. Примерами эпигенетических изменений являются метилирование ДНК и деацетилирование гистонов, оба процесса приводят к подавлению экспрессии генов.

Статья написана на основе пресс-релиза [1] и оригинальной публикации [2].

Источник: https://biomolecula.ru/articles/katitsia-katitsia-k-dnk-giston

Гистоновые и негистоновые белки: виды, функции

Гистоновые

Рассмотрим функции негистоновых белков, их значение для организма. Данная тема представляет особый интерес, заслуживает детального изучения.

Главные белки хроматина

Гистоновые и негистоновые белки непосредственно связаны с ДНК. Ее роль в составе интерфазных и митотических хромосом довольно велика – хранение и распространение генетической информации.

При осуществлении подобных функций необходимо обладать четкой структурной базой, позволяющей располагать длинные молекулы ДНК в четком порядке. Подобное действие позволяет контролировать периодичность протекания синтеза РНК, редупликации ДНК.

Ее концентрация в интерфазном ядре составляет 100 мг/мл. На одно ядро млекопитающих приходится примерно 2 м ДНК, локализуемой в сферическом ядре диаметром порядка 10 мкм.

Группы белков

Несмотря на многообразие, принято выделять две группы. Функции гистоновых и негистоновых белков имеют определенные отличия. Около 80 процентов всех белков хроматина составляют гистоны. Они взаимодействуют с ДНК за счет ионных и солевых связей.

Несмотря на значительное количество, гистоны и негистоновые белки хроматина представлены несущественным разнообразием белков, в эукариотических клетках содержится порядка пяти-семи типов молекул гистона.

Негистоновые белки в хромосомах в основном специфичны. Они взаимодействуют только с определенными структурами молекул ДНК.

Особенности гистонов

Каковы функции гистоновых и негистоновых белков в хромосоме? Гистоны связываются в виде молекулярного комплекса с ДНК, они являются субъединицами такой системы.

Гистоны являются белками, характерными лишь для хроматина. Они имеют определенные качества, позволяющие им выполнять специфические функции в организмах.

Это щелочные или основные белки, характеризующиеся достаточно высоким содержанием аргинина и лизина.

[attention type=yellow]

Благодаря положительным зарядам на аминогруппах обусловливается электростатическая или солевая связь с противоположными зарядами на фосфатных структурах ДНК.

[/attention]

Такая связь является довольно лабильной, она легко разрушается, при этом происходит диссоциация на гистоны и ДНК. Хроматин считается сложным нуклеиново-белковым комплексом, внутри которого есть высокополимерные линейные молекулы ДНК, а также значительное количество молекул гистонов.

Свойства

Гистоны являются достаточно небольшими белками по молекулярной массе. Они имеют сходные свойства у всех эукариот и обнаруживаются сходными классами гистонов. К примеру, виды H3 и H4 причисляют к богатым аргинином, так как в их составе достаточное количество данной аминокислоты.

Такие гистоны считают консервативными, так как последовательность аминокислоты в них сходна даже у отдаленных видов.

H2A и H2B считают белками, в которых умеренное содержание лизина. Разные объекты внутри данных групп имеют некоторые вариации в первичной структуре, а также в последовательности расположения аминокислотных остатков.

Гистон H1 является классом белков, в которых аминокислоты располагаются в сходной последовательности.

У них обнаруживаются существеннее межтканевые и межвидовые вариации. В качестве общего свойства рассматривается значительное количество лизина, в результате чего именно эти белки можно отделять от хроматина в разбавленных солевых растворах.

Гистоны всех классов характеризуются кластерным распределением основных аминокислот: аргинина и лизина на концах молекул.

H1 отличается вариабельным N-концом, осуществляющим взаимосвязь с иными гистонами, а С-конец обогащен лизином, именно он вступает во взаимодействие с ДНК.

При жизнедеятельности клеток возможны модификации гистонов:

  • метилирование;
  • ацетилирование.

Подобные процессы приводят к изменению количества положительных зарядов, они являются обратимыми реакциями. При фосфорилировании сериновых остатков появляется избыточный отрицательный заряд.

Такие модификации влияют на свойства гистонов, их взаимодействие с ДНК.

Например, при ацетилировании гистонов наблюдается активация генов, а дефосфорилирование вызывает деконденсацию и конденсацию хроматина.

Особенности синтеза

Процесс происходит в цитоплазме, далее происходит транспортировка в ядро, связывание с ДНК при ее репликации в S-периоде. После прекращения синтеза клеткой ДНК в течение нескольких минут происходит распад информационных гистоновых РНК, процесс синтеза прекращается.

Подразделение на группы

Выделяют разные виды негистоновых белков. Деление их на пять групп является условным, оно основывается на внутреннем сходстве. Существенное количество отличительных свойств выявлено у высших и низших эукариотических организмов.

К примеру, вместо H1, характерного для тканей низших позвоночных организмов, обнаруживают гистон H5, который содержит большее количество серина и аргинина.

Встречаются и ситуации, связанные с частичным либо полным отсутствием у эукариот гистонных групп.

Функциональные возможности

Подобные белки были найдены в составе бактерий, вирусов, митохондрий. Например, у E. coli в клетке найдены белки, аминокислотный состав которых аналогичен гистонам.

Негистоновые белки хроматина выполняют важные функции в живых организмах. До выявления нуклеосом использовали две гипотезы, касающиеся функционального значения, регуляторной, структурной роли таких белков.

Удалось обнаружить, что при добавлении к выделенному хроматину РНК-полимеразы получается матрица для процесса транскрипции. Но активность его оценивается только в 10 процентов от аналогичного показателя для чистой ДНК. Она возрастает при удалении групп гистонов, а при их отсутствии составляет максимальную величину.

Это свидетельствует о том, что суммарное содержание гистонов позволяет контролировать процесс транскрипции. Качественное и количественно изменение гистонов оказывает влияние на активность хроматина, степень его компактности.

[attention type=red]

Не до конца изучен вопрос, касающийся специфичности регуляторных характеристик гистонов во время синтеза специфичных и-РНК в разных клетках.

[/attention]

При постепенном добавлении фракции гистонов к растворам, содержащим чистую ДНК, наблюдается выпадение осадка в виде комплекса ДНП. При выведении из раствора хроматина гистонов происходит полный переход в растворимое основание.

Функции негистоновых белков не ограничиваются построением молекул, они намного сложнее и многограннее.

Структурное значение нуклеосом

В первых электромикроскопических и биохимических работах было доказано, что в препаратах ДПН есть нитчатые структуры, диаметр которых находится в интервале 5-50 нм. По мере совершенствования представлений о строении белковых молекул удалось выяснить, что существует прямая зависимость между диаметром фибрилла хроматина и способом выделения препарата.

На тонких срезах митотических хромосом и интерфазных ядер после выявления глутаровым альдегидом были обнаружены хроматированные фибриллы, толщина которых составляет 30 нм.

Аналогичными размерами обладают фибриллы хроматина в случае физической фиксации их ядер: при замораживании, скалывании, взятии реплик с подобных препаратов.

Негистоновые белки хроматина были открыты двумя различными способами нуклеосом-частиц хроматина.

Исследования

При осаждении препаратов хроматина на подложку для электронной микроскопии в щелочных условиях при несущественной ионной силе получаются нити хроматина, похожие на бусы. Их размер не превышает 10 нм, а глобулы связаны между собой отрезками ДНК, длина которых не превышает 20 нм. В ходе наблюдений удалось установить связь между структурой ДНК и продуктами распада.

Интересные сведения

Негистоновые белки составляют порядка двадцати процентов белков хроматина. Они являются белками (кроме тех, что выделяются хромосомами). Негистоновые белки – это комбинированная группа белков, которые между собой отличаются не только по свойствам, но и по функциональной важности.

Большая часть их относится к белкам ядерного матрикса, которые обнаруживаются и в составе интерфазных ядер, и в митотических хромосомах.

Негистоновые белки могут включать порядка 450 индивидуальных полимеров, имеющих различную молекулярную массу. Некоторые из них растворимы в воде, есть и такие, которые растворимы в кислых растворах. Из-за непрочности связи с хроматином протекающей диссоциации при наличии денатурирующих агентов возникают существенные проблемы с классификацией и описанием данных белковых молекул.

[attention type=green]

Негистоновые белки – это регуляторные полимеры, стимулирующие транскрипцию. Есть и ингибиторы данного процесса, которые связываются в специфической последовательности на ДНК.

[/attention]

К негистоновым белкам могут относиться и ферменты, принимающие участие в метаболизме нуклеиновых кислот: метилазы РНК и ДНК, ДНКазы, полимеразы, белки хроматина.

Среда множества подобных полимерных соединений максимально изученными считают негистоновые белки, обладающие высокой подвижностью. Для них свойственна неплохая электрофоретическая подвижность, экстрагирование в растворе поваренной соли.

HMG-белки представлены в четырех видах:

  • HMG-2 (м.в. = 26 000),
  • HMG-1 (м.в. = 25 500),
  • HMG-17 (м.в. = 9247),
  • HMG-14 (м.в. = 100 000).

В живой клетке таких структур содержится не больше 5 % от суммарного количества гистонов. Они особенно распространены в активном хроматине.

Белки HMG-2 и HMG-1 не включены в состав нуклеосом, они связываются только с линкерными фрагментами ДНК.

Белки HMG-14 и HMG-17 способны связываться с сердцеподобными полимерами нуклеосом, в результате чего происходит изменение уровня сборки фибрилл ДНП, они будут более доступны для реакции с РНК-полимеразой.

В подобной ситуации HMG-белки выполняют роль регуляторов транскрипционной активности. Удалось выявить, что фракция хроматина, которая обладает повышенной чувствительностью к ДНКазе I, насыщена HMG-белками.

Заключение

Третьим уровнем структурной организации хроматина являются петлевые домены ДНК. В ходе исследований было установлено: только при расшифровке принципа хромосомных элементарных компонентов сложно получить полное представление о хромосомах в митозе, в интерфазе.

Уплотнение ДНК в 40 раз получают благодаря максимальной спирализации. Этого недостаточно для того, чтобы получить реальное представление о размерах и характеристиках хромосом. Можно сделать закономерный вывод о том, что должны быть еще более высокие уровни сборки ДНК, с помощью которых можно было бы однозначно дать общую характеристику хромосомам.

Ученым удалось обнаружить подобные уровни организации хроматина в результате его искусственной деконденсации. В подобной ситуации специфические белки будут связываться с некоторыми участками ДНК, имеющими в местах объединения домены.

Принцип петлевой упаковки ДНК был обнаружен и у эукариотических клеток.

Например, если провести обработку выделенных ядер раствором поваренной соли, будет сохранена целостность ядра. Подобная структура стала называться нуклеотидом. Его периферия включает в себя значительное количество замкнутых петель ДНК, средний размер которых составляет 60 т.п.н.

При препаративном выделении хромомеров, последующем экстрагировании гистонов из них под электронным микроскопом будут видны петлистые розеткообразные структуры. Число петель в одной розетке составляет от 15 до 80, суммарная длина ДНК доходит дл 50 мкм.

Представления о строении и основных функциональных характеристиках белковых молекул, полученные в ходе экспериментальной деятельности, позволяют ученым вести разработку лекарственных препаратов, создавать инновационные методики эффективной борьбы с генетическими заболеваниями.

Источник: https://FB.ru/article/361592/gistonovyie-i-negistonovyie-belki-vidyi-funktsii

Cell Biology.ru

Гистоновые

Гистоны – белки образующие комплекс связывающийся с ДНК и участвующий в сворачивании ДНК – фолдинге и регуляции экспрессии.
Характеристика гистонов

гистонаминокислотN-плечоC-плечо
H31354125
H410232
H2A1292416
H2B1253023
H1

Выделяют 5 фракций гистонов

ФракцияЛизинАргининлиз./аргосн.АК/кис.АКМол. вес (Да)
Н1 (очень богатая лизином)29%1%>205.423000
Н2В (умеренно богатая лиз)16%6%~2.51.713774
Н2А (умеренно богатая лиз и арг)11%9%~11.413960
Н4 (богатая арг и гли)11%14%~0.82.511282
Н3 (очень богатая арг); есть цис, а в других – нет10%13%~0.71.815348

рис.1 Общая структура для гистонов H2A, H2B, H3, H4. Три центральные а-спирали образующие фолд домен и свободные концевые участки подвергаемые различным модификациям (см. обзор Модификации гистонов)

Гистоновые гены (Сингер Гены и геномы)

видгруппа гистоновых геновкластер, тпнчисло копий
Дрожжи Sc←H2A→H2B ←H3→H46 и 132 2
Dm←H3→H4←H2A→H2B←H15100
Морской еж S.purpuratus→H1→H4→H2B→H3→H2A рассеянные, нек образ пары6-7500 ранние 10 поздние
Тритон N.viridescens←H4←H2A→H2B←H3←H19700
XenopusH3-H4-H2A-H2B-H1B-H3-H4 →H3→H4←H2A→H2B16 625
Курица←H3→H2A←H4-H1←H2A→H2B H2A-H4-H2A-H2B H3-H4H5 (вместо Н1 в эритроцитах)14 >10>1010 1
ЧеловекH3-H4-H4-H3-H2A-H2B H4-H3-H1-H2B-H2A→H2A→H2B←H420 15610-20 5неизвестно

Большинство гистоновых генов (гг) синтезируется в S-фазе клеточного цикла. Гг объединены в кластеры но транскрибируются отдельно. У птиц и млекопит рассеяны по геному. Большинство реплицирующихся гг лишены интронов, у мРНК нет 3'-poly(A)-конца.

Морской еж: на ранних стадиях развития функционируют специфические гг, ответственные за быстрый синтез гистонов. После образования бластулы начинается синтез других гг.

Dm: гг находятся во второй х-ме.

В эмбриогенезе, возможно, гистоны образуются с альтернативных гг.

Гистон H1

Гистон H1 соединяется с нуклеосомой ДНК и участвует в образовании 30 нм фибриллы. Присутствует у животных, растений и грибов. У некоторых архебактерий имеются схожие аналоги.

human H1 gene

Гистон H2A

Гистон H2B

Гистон H3

Гистон H4

Аналоги гистонов

гистонHs, MmDmSc
H2AH2AX H2A1 H2A.Z H2ABbdmacroH2AH2AvH2AvHtz1
H2B
H3H3.3 Cid
H4
H1H1.1 H1.2 H1.3 H1.4 H1.5 H10 H1tH1ooHho1p

аналоги H2A

H2AX – играет роль в репарации ДНК, SQEY мотиф Р в сайтах где ДНК повреждена и собирает репарирующие белки. H2A.X фосфорилируется во время апоптоза, что приводит к разрушению ДНК, участвует по крайней мере в одном пути репарации у мышей (см. обзор Репарация ДНК). (Smith et al., 2002) H2A1 – инактивация Х-х-мы и дозовая компенсация у млекопит. H2A.

Z (Htz1 у дрожжей) существенный белок дрозофилы, мышей и Sc. вовлеченный в активацию и подавление транскрипции. (Swaminathan 2005) H2Av Dm пресутствует в хромоцентре гетерохроматина и связан с транскрибируемыми и нетранскрибируемыми генами в дисках и междисков политенной хромосомы.

His2Av схож генетически с PcG генами и мутации в His2Av подавляют PEV, предполагает что выриант гистона необходим для эухроматинового сайленсинга и образования гетерохроматина.

[attention type=yellow]

His2Av мутанты обнаруживают уменьшение ацетилирования гистона H4 лизина Lys 12, увеличивается метилирование гистона H3 Lys 9, и уменьшается соединение HP1 с прецентромерными регионами. H2Av накопление или ацетилирование H4K12 не затрагивается мутациями в Su(var)3-9 или Su(var)2-5.

[/attention]

В каскаде ведущему к установлению гетерохроматина и присоединению варианта H2Av обеспечивается H4K12 ацетилированием, являющемся необходимым шагом для метилирования H3K9 и просоединения HP1. (Swaminathan 2005) H2ABbd (Barr body deficient) вариантгистона с 48% идентичностью к гистону H2A обнаружен в 2001 г.

H2ABbd короче чем обычный H2A, и содержит последовательнотсь из шести аргининов на конце и имеет нестандартный для всех H2A С-конец. Аминокислотная последоватльность фолд домена гистона H2ABbd существенно отличается от H2A

macroH2A инактивация Х-хромосомы у млекопитающих. MacroH2A участвует в присоединении транскрипционного фактора и SWI/SNF нуклеосомном ремоделингею. (Gautier, 2004)

аналоги Н3

(Dm) H3.3 – в активном хроматине, Cid – компонент прицентромерного гетерохроматина. Перемещение H3 только при репликации, H3.3, Cid во всем кл цикле | перемещение H3.3 не согласуется с репликацией | H3 отличается от H3.3 на 4 аминокислоты. зависимости м-у увеличением уровня ацетилирования гистонов и повышения уровня экспрессии (Smith, 2002) Гистон H3.

3 вовлечен в репликацию ДНК и может лужить маркером роматиновых регионов высокой транскрипционной активности.(Smith, 2002) Гены гистонов имеют 3’ нетранскрибируемый район вместо poly(A)-конца. Dm: один ген кодирует Сid и два Н3.3 вне S фазы Н3.3 и Н3 встраиваются во время репликации, Н3.3 и Cid могут встраиваться не зависимо от репликации.

Н3-подобный центромерный гистон СеnН3 наблюдается у разных животных, грибов и растений. Н3.3-подобный гистон в активном макронуклеусе Ciliate. Варианты Н3 занимают малую часть хроматина и их свойства обычно не наблюдаются.(Ahmad, 2002) Сначало собирается (H3-H4)2 – тетрамер и затем добавляются два H2A-H2B димера.

Новые гистоны собираются, добавляется H1 и модифицируются гистоновые плечи. (Ahmad, 2002)

PCNA – proliferating cell nuclear antigene

аналоги Н1

H1.1-H1.5,H10,H1t – субтипы у млекопит. Гистон H5 в придшеств эритроцитов курицы
H1oo был обнаружен в ооцитах мыши. H5 встречается только у амфибий и рептилий, где он обнаружен в изобилии в транскрипционно неактивных ядрах эритроцитов. Ядро зрелых эритроцитов почти полностью гетерохроматиновое, что позволяет поддерживать малый объем хроматина.

Экспрессия гистона H5 коррелирует с прекращением работы RNA-полимеразы II. Предполагается, что гистон H5 участвует в инактивации генома и является частью программы конечной дифференциации эритроцитов. Гистон H1.0 гомолог млекопитающих близок по структуре к H5 чем к H1. Исследования показали что его колличество увеличивается в клетках закончивших дифференцировку.

Оверэкспрессия гистона H1.0 способна замедлить прохождение клеточного цикла и подавить экспрессию. H1.0 может конкурировать с одинаковыми последовательностями хроматина с RNA-полимеразой II. H1 состоит из центрального глобулярного домена фланкированного по краям хвостовыми доменами. Наибольшее различие между вариантами заключается в различии их хвостовых доменов.

N-конец не требуется для индукции высокоорганизованных структур. С-конец необходим для сворачивания хроматина, но не существеннен в защите от нуклеаз связанного с присоединением гистона H1. Точечная мутация и делеционные эксперименты с участием гистона H1.

1 показали что одиночное фосфорилирование cdk в пределах С-концевого домена может отвечать за сборку всей гистоновой молекулыe. (Th’ng 2005)

Экспрессия гистоновых генов и сборка нуклеосом

Во время репликации материнские гистоны случайно распределяются по обеим цепям ДНК. Вновь синтезированные гистоны дополняют нуклеосомы. Разделение нуклеосом и добавление новых гистонов, степень репликации и синтез гистонов четко координируется. Во время S-фазы происходит синтез ДНК, синтез гистонов и образование нуклеосом.

Эти три события начинаются одновременно в начале S-фазы. Если подавлять синтез ДНК ингибиторами, то подавляется и синтез гистонов. Механизм точного контроля не известен.

[attention type=red]

При ингибировании синтеза гистонов или сборки хроматина также происходит ингибирование синтеза ДНК

[/attention]Человеческий белок HIRA (histone regulator A) ответственен за контроль синтеза гистонов. Hir1p, Hir2p -репрессоры транскрипции гистонов Sc.В фибробластах Hs HIRA колокализуется с HDAC4.

HIRA – субстрат циклинаА или E/cdk2 в S-фазе. Фосфорилирование HIRA циклином/cdk2 регулирует экспрессию гистонов во время клеточного цикла. SLBP – белок стабилизирующий гистоновую мРНК.

CAF1 (Chromatin Assembly Factor) – белковый комплекс из 3 субъед: 150, 60, 50 кДа связывает вновь образ гистоны Н3 и Н4 с ДНК с образованием тетрамера, содержит p150, p60 и p48. Активность CAF1 зависит от связи p150CAF1 с p60CAF1 и с вспомогательными факторами репликации, PCNA (Adams, 2001 scientific report) Вновь синтезируемые H3 и H4 связываются первыми двумя субъединицами (150, 60), из которых пид 150 кДа обладает заряженным доменом, а др содержит в своем составе WD-повтор(TrpAsn). Затем к нуклеосоме добавляются H2A и H2B так же при участии шаперонов с образованием октамера. Шапероны способны запасать гистоны, перемещать к ядру, обменивать гистоны на ДНК, укладывать гистоны в нуклеосому.
Транскрипция ДНК в нуклеосоме подавляется Swi-Snf комплексом.

Гистоны прокариот

Нуклеоид прокариот представляет ~100 петель. Эти петли конденсированы основными протеинами и другими плохо изученными факторами. HU белки (Hu-1 и Hu2) ~18кДа существуют как гетеродимеры. H-NS белок 16,5 кДа формирует димер связывающий ДНК. Имеется ~20000 H-NS молекул, что составляет один димер на ~400пн ДНК.
У аналогов коровых гистонов архебактерий отсутствуют 'хвосты'.

Литература: 

  1. Drlica K, Rouviere-Yaniv J. (1087) Histone proteins of bacteria. Microbiol Rev. 51(3):301-19. Adams, 2001
  2. Downs, 2003
  3. H. KASINSKY, J. LEWIS, J. DACKS, J. AUSIO (2001) Origin of H1 linker histones. The FASEB Journal;15:34-42
  4. C. M. Smith et al., (2002).

    Proc Natl Acad Sci U S A Ahmad, 2002

  5. Th'ng JP, Sung R, Ye M, Hendzel MJ. (2005) H1 family histones in the nucleus. Control of binding and localization by the C-terminal domain.
  6. J Biol Chem. Jul 29;280(30):27809-14.

    Epub 2005 May 23

  7. Gautier Histone variant H2ABbd confers lower stability to the nucleosome, 2004
  8. Chadwick & Willard, 2001
  9. Swaminathan J, Baxter EM, Corces VG.

    (2005) The role of histone H2Av variant replacement and histone H4 acetylation in the establishment of Drosophila heterochromatin. Genes Dev. Jan 1;19(1):65-76.

Источник: https://cellbiol.ru/book/organizatsiya_khromosom/upakovka_dnk/gistony

Характеристики, структура, типы и функции гистонов / биология

Гистоновые

гистоны являются основными белками, которые взаимодействуют с ДНК для образования нуклеосом, которые составляют цепи хроматина, составляющие хромосомы у эукариотических организмов.

Нуклеосомы, комплексы, образованные ДНК и белками, были открыты в 1974 году, и именно гистоны собирают этот базальный уровень организации хроматина. Однако существование гистоновых белков известно еще до 1960-х годов..

Гистоны организованы таким образом, что двойная полоса ДНК обернута вокруг белкового центра, состоящего из этих белков, которые тесно взаимодействуют друг с другом. Гистоновый центр имеет форму диска, и ДНК совершает около 1,7 оборота вокруг него..

Множественные водородные связи позволяют связывать ДНК с белковым центром, образованным гистонами в каждой нуклеосоме. Эти связи образуются, в основном, между аминокислотными скелетами гистонов и сахарофосфатным остовом ДНК. Некоторые гидрофобные взаимодействия и ионные связи также участвуют.

Белки, известные как «комплексы ремоделирования хроматина», ответственны за разрушение и образование связывающих связей между ДНК и гистонами, позволяя проникать транскрипционному механизму в ДНК, содержащуюся в нуклеосомах..

Несмотря на близость нуклеиновых кислот к белковому центру, образованному гистонами, они расположены таким образом, что при необходимости они позволяют вводить факторы транскрипции и другие белки, связанные с экспрессией или генетическим молчанием..

Гистоны могут подвергаться различным модификациям, которые генерируют множество вариантов, делая возможным существование множества различных форм хроматина, которые обладают способностью модулировать экспрессию генов различными способами..

индекс

  • 1 Характеристики
  • 2 Структура
  • 3 типа
    • 3.1 Нуклеосомные гистоны
    • 3.2 Объединение гистонов
  • 4 функции
  • 5 ссылок

черты

Они являются наиболее консервативными эукариотическими белками в природе. Например, было показано, что гистон гороха H4 отличается только двумя из 102 аминокислотных положений белка коровы H4..

Гистоны представляют собой относительно небольшие белки, содержащие не более 140 аминокислот. Они богаты основными аминокислотными остатками, поэтому они имеют положительный суммарный заряд, который способствует их взаимодействию с нуклеиновой кислотой, отрицательно заряженной, с образованием нуклеосом..

Известны нуклеосомные и соединительные или мостиковые гистоны. Нуклеосомными гистонами являются H3, H4, H2A и H2B, в то время как связывающие гистоны принадлежат к семейству гистонов H1..

Во время сборки нуклеосомы первоначально образуются специфические димеры H3-H4 и H2A-H2B. Два димера H3-H4 затем соединяются с образованием тетрамеров, которые впоследствии объединяются с димерами H2A-H2B, образуя октамерный центр.

Все гистоны синтезируются в основном во время S-фазы клеточного цикла, а нуклеосомы собираются в возникающие спирали ДНК сразу после репликационной вилки..

структура

Общая структура гистонов включает основную аминокислотную область и высококонсервативную глобулярную карбоксильную область среди эукариотических организмов..

Структурный мотив, известный как «гистоновая складка», состоящий из трех альфа-спиралей, соединенных двумя вилками и образующих небольшой гидрофобный центр, отвечает за белок-белковые взаимодействия между гистонами, составляющими нуклеосому..

[attention type=green]

Именно эта складка гистонов составляет глобулярный карбоксильный домен указанных нуклеосомных белков у всех эукариот.

[/attention]

Гистоны также имеют небольшие «хвосты» или аминоконцевые и другие карбоксилконцевые области (доступные для протеаз) длиной не более 40 аминокислот. Обе области богаты основными аминокислотами, которые могут подвергаться множественным посттрансляционным ковалентным модификациям.

Союз гистонов

У эукариот есть два семейства гистонов объединения, различающихся по строению. Некоторые имеют трехстороннюю структуру, причем описанный выше глобулярный домен окружен N- и C-концевыми «неструктурированными» доменами; в то время как другие имеют только C-терминал домена.

Хотя большинство гистонов являются консервативными, некоторые специфические варианты могут возникать во время эмбриогенеза или созревания специализированных клеток в некоторых организмах. Некоторые структурные изменения связаны с посттрансляционными модификациями, такими как:

фосфорилированияСчитается, что это связано с изменением степени конденсации хроматина и обычно встречается в сериновых остатках..

ацетилирование: связано с хромосомными областями, которые транскрипционно активны. Обычно это происходит в боковых цепях остатков лизина. При появлении на этих остатках положительный заряд уменьшается, уменьшая сродство белков с ДНК.

метилирование: может быть представлен как моно-, ди- или триметилация остатков лизина, выступающих из ядра белка.

Специфические ферменты ответственны за внесение этих ковалентных модификаций в гистоны. Эти ферменты включают гистонацетилтрансферазы (HAT), гистондеацетилазные комплексы (HDAC) и гистонметилтрансферазы и деметилазы..

тип

Характеристика гистонов была проведена различными биохимическими методами, среди которых выделяются хроматографии, основанные на слабых катионообменных смолах..

Некоторые авторы устанавливают метод классификации, при котором у эукариот выделяются 5 основных типов гистонов: FI с белками 21 кДа; F2A1 или FIV, плюс или минус 11,3 кДа; F2A2 или FIIbI, 14,5 кДа; F2B или FIIb2 с молекулярной массой 13,7 кДа и F3 или FIII 15,3 кДа.

Все эти типы гистонов, за исключением группы FI, обнаруживаются в эквимолярных количествах в клетках..

Другая классификация, с той же валидностью и, возможно, наиболее используемой в настоящее время, предполагает существование двух различных типов гистонов, а именно: те, которые являются частью нуклеосомного октамера, и гистоны соединения или моста, которые соединяют нуклеосомы между да.

Некоторые варианты могут также встречаться между видами и в отличие от ядерных гистонов, варианты синтезируются во время границы раздела и вставляются в предварительно образованный хроматин посредством процесса, зависящего от энергии, выделяемой при гидролизе АТФ..

Нуклеосомные гистоны

Ядро нуклеосомы состоит из пары каждого из четырех конститутивных гистонов: H2a, H2b, H3 и H4; поверх которых обернуты сегменты ДНК около 145 пар оснований.

Гистоны H4 и H2B в принципе неизменны. Однако некоторые изменения очевидны в гистонах H3 и H2A, биофизические и биохимические свойства которых изменяют нормальную природу нуклеосомы..

[attention type=yellow]

Вариант гистона H2A у человека, белок H2A.Z, имеет большую кислотную область и может способствовать стабильности нуклеосомы в зависимости от вариантов гистона H3, с которыми он связан..

[/attention]

Эти гистоны показывают некоторую изменчивость между видами, являясь особым случаем гистона H2B, для которого первая треть молекулы сильно варьирует.

функции

Все аминокислотные остатки гистонов так или иначе участвуют в их взаимодействии с ДНК, что объясняет тот факт, что они так консервативны среди царств эукариотических организмов..

Участие гистонов в упаковке ДНК в форме хроматина имеет большое значение для сложных многоклеточных организмов, в которых различные клеточные линии могут специализироваться только путем изменения доступности их генов для транскрипционного механизма..

Транскрипционно активные геномные области плотны в нуклеосомах, что позволяет предположить, что ассоциация ДНК с гистоновыми белками имеет решающее значение для негативной или позитивной регуляции их транскрипции..

Аналогично, в течение всей жизни клетки ответ на большое количество стимулов, как внутренних, так и внешних, зависит от небольших изменений в хроматине, которые обычно связаны с посттрансляционным ремоделированием и модификацией гистонов, обнаруженных в тесная связь с ДНК.

Множественные гистоновые переменные выполняют разные функции у эукариот. Один из них связан с участием варианта гистона Н3 в формировании центромерных структур, ответственных за сегрегацию хромосом во время митоза..

Было показано, что аналог этого белка у других эукариот необходим для сборки белкового кинетохора, с которым связываются микротрубочки веретена во время митоза и мейоза..

ссылки

  1. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Морган Д., Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2015). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Нью-Йорк: Наука Гирлянды.
  2. Кампос, Е. И. & Рейнберг, Д. (2009). Гистоны: аннотирующий хроматин. Annu. Преподобный Генет., 43, 559-599.
  3. Harvey, A.C. & Downs, J.A. (2004). Какие функции обеспечивают линкерные гистоны? Молекулярная микробиология, 53, 771-775.
  4. Хеникофф С. и Ахмад К. (2005). Сборка вариантов гистонов в хроматин. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 21, 133-153.
  5. Изенберг И. (1979). Гистоны. Annu. Rev. Biochem., 48, 159-191.
  6. Kornberg, R.D. & Thomas, J.O. (1974). Структура хроматина: олигомеры гистонов. Science, 184 (4139), 865-868.
  7. Смит Э., ДеЛанж Р. и Боннер Дж. (1970). Химия и биология гистонов. Физиологические обзоры, 50 (2), 159-170.

Источник: https://ru.thpanorama.com/articles/biologa/histonas-caractersticas-estructura-tipos-y-funciones.html

Будь здоров
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: