Гистоны: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
(Показать все непатрулированные изменения)
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
м →‎Модификации гистонов: удаление UTM-меток из ссылок, removed: &utm_medium=email (2), ?utm_source=feedburner
оформление
Строка 3: Строка 3:
[[Файл:PDB 1hst EBI.jpg|thumb|200px|Линкерный гистон H5: вид в двух проекциях]]
[[Файл:PDB 1hst EBI.jpg|thumb|200px|Линкерный гистон H5: вид в двух проекциях]]
[[Файл:Nucleosome-ru.jpg|thumb|200px|Схематическое изображение структуры нуклеосомы]]
[[Файл:Nucleosome-ru.jpg|thumb|200px|Схематическое изображение структуры нуклеосомы]]
'''Гистоны''' — обширный класс ядерных [[Белки|белков]], выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей [[ДНК]] в ядре и в [[эпигенетическое наследование|эпигенетической]] регуляции таких ядерных процессов, как [[транскрипция (биология)|транскрипция]], [[репликация ДНК|репликация]] и [[Репарация ДНК|репарация]]. Существует пять различных типов гистонов H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны H2A, H2B, H3, H4, называемых ''кóровыми'' гистонами (от {{lang-en|core}} — сердцевина), формируют [[Нуклеосома|нуклеосому]], представляющую собой белковую глобулу, вокруг которой накручена нить ДНК. Гистон H1/H5, называемый ''линкерным'' гистоном (от {{lang-en|link}} — связь), связывается с внешней стороной нуклеосомы, фиксируя на ней нить ДНК. В [[хроматин]]е гистоны составляют 25-40 % сухого веса<ref name="Slov">{{книга|автор= |часть= |ссылка часть= |заглавие=Биологический энциклопедический словарь |оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный=Гл.ред. М.С.Гиляров |издание= |место=М. |издательство=Сов. энциклопедия |год= 1986|том= |страницы= |страниц=831 |серия= |isbn= |тираж=}}</ref>. Благодаря высокому содержанию [[лизин]]а и [[аргинин]]а гистоны проявляют сильно оснóвные свойства. Гистоны непосредственно контактируют с ДНК и способны нейтрализовать отрицательный заряд фосфатных групп ДНК за счёт положительных зарядов аминокислотных остатков. Последовательность [[Аминокислоты|аминокислот]] в этих белках является консервативной и практически не различается в организмах различных [[таксон]]ов. Гистоны присутствуют в ядрах [[Эукариоты|эукариотических]] клеток; у [[Бактерии|бактерий]] гистонов нет, но они выявлены у [[Археи|архей]] группы ''Euryarchaea''<ref name="App">{{книга |автор= |часть= |ссылка часть= |заглавие= Нуклеиновые кислоты: от А до Я|оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный= Б. Аппель [и др.]|издание= |место= М.|издательство=Бином: Лаборатория знаний |год= 2013|том= |страницы= |столбцы= |страниц=413 |серия= |isbn=978-5-9963-0376-2 |тираж=700}}</ref>.
'''Гисто́ны''' — обширный класс ядерных [[Белки|белков]], выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей [[ДНК]] в ядре и в [[эпигенетическое наследование|эпигенетической]] регуляции таких ядерных процессов, как [[транскрипция (биология)|транскрипция]], [[репликация ДНК|репликация]] и [[Репарация ДНК|репарация]]. Существует пять различных типов гистонов H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны H2A, H2B, H3, H4, называемые ''кóровыми'' гистонами (от {{lang-en|core}} — сердцевина), формируют [[Нуклеосома|нуклеосому]], представляющую собой белковую глобулу, вокруг которой накручена нить ДНК. Гистон H1/H5, называемый ''линкерным'' гистоном (от {{lang-en|link}} — связь), связывается с внешней стороной нуклеосомы, фиксируя на ней нить ДНК. В [[хроматин]]е гистоны составляют 25—40 % сухого веса<ref name="Slov">{{книга|автор= |часть= |ссылка часть= |заглавие=Биологический энциклопедический словарь |оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный=Гл.ред. М.С.Гиляров |издание= |место=М. |издательство=Сов. энциклопедия |год= 1986|том= |страницы= |страниц=831 |серия= |isbn= |тираж=}}</ref>. Благодаря высокому содержанию [[лизин]]а и [[аргинин]]а гистоны проявляют сильно оснóвные свойства. Гистоны непосредственно контактируют с ДНК и способны нейтрализовать отрицательный заряд фосфатных групп ДНК за счёт положительных зарядов аминокислотных остатков. Последовательность [[Аминокислоты|аминокислот]] в этих белках является консервативной и практически не различается в организмах различных [[таксон]]ов. Гистоны присутствуют в ядрах [[Эукариоты|эукариотических]] клеток; у [[Бактерии|бактерий]] гистонов нет, но они выявлены у [[Археи|архей]] группы ''Euryarchaea''<ref name="App">{{книга |автор= |часть= |ссылка часть= |заглавие= Нуклеиновые кислоты: от А до Я|оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный= Б. Аппель [и др.]|издание= |место= М.|издательство=Бином: Лаборатория знаний |год= 2013|том= |страницы= |столбцы= |страниц=413 |серия= |isbn=978-5-9963-0376-2 |тираж=700}}</ref>.


Гистоны обнаружены в 1884 году немецким биохимиком [[Коссель, Альбрехт|Альбрехтом Косселем]]<ref name="Карпов">{{статья |автор= Карпов В.Л|заглавие= От чего зависит судьба гена|оригинал= |ссылка=http://ras.ru/FStorage/Download.aspx?id=cb3b3ab4-2d78-4afb-8f54-38082bd5a7f0 |автор издания= |издание=Природа |тип= |место= |издательство= |год=2005 |выпуск= |том= |номер= 3|страницы= 34-43|isbn= |issn= |doi= |bibcode= |arxiv= |pmid= |язык= |ref= |archiveurl= |archivedate=}}</ref>.
Гистоны обнаружены в 1884 году немецким биохимиком [[Коссель, Альбрехт|Альбрехтом Косселем]]<ref name="Карпов">{{статья |автор= Карпов В.Л|заглавие= От чего зависит судьба гена|оригинал= |ссылка=http://ras.ru/FStorage/Download.aspx?id=cb3b3ab4-2d78-4afb-8f54-38082bd5a7f0 |автор издания= |издание=Природа |тип= |место= |издательство= |год=2005 |выпуск= |том= |номер= 3|страницы= 34—43|isbn= |issn= |doi= |bibcode= |arxiv= |pmid= |язык= |ref= |archiveurl= |archivedate=}}</ref>.


== Структура нуклеосомы и гистоновых белков ==
== Структура нуклеосомы и гистоновых белков ==
По две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4 составляют октамер, обвитый сегментом ДНК длиной 146 пар оснований (п.о.), образующим 1,8 витка спирали поверх белковой структуры. Эта частица диаметром 7 нм называется [[нуклеосома|нуклеосомой]]. Участок ДНК, соединяющий соседние нуклеосомы и непосредственно не контактирующий с гистоновым октамером, взаимодействует с линкерным гистоном Н1. <!--Этот белок закрывает примерно 20 п.о. и обеспечивает формирование суперспиральной структуры (соленоида) диаметром 30 нм. Когда хроматин конденсируется с образованием метафазной хромосомы, соленоидные структуры образуют петли диаметром 200 нм, содержащие ДНК длиной 80000 п.о. Петли связаны с остовом из белков (ядерный остов), причём примерно 20 петель образуют минидиски. Большое число минидисков укладывается в стопку, составляя хромосому. Вследствие этого ДНК оказывается свернута настолько плотно, что даже самая маленькая хромосома человека содержит около 50 млн п.о.--> Длина фрагмента ДНК, приходящегося на одну нуклеосому, варьирует и составляет в среднем 200 п.о. При этом непосредственно с нуклеосомой связаны 146 п.о., а остальные несколько десятков соединяют две соседние нуклеосомы<ref name="Коряков">{{статья |автор=Коряков Д. Е. |заглавие=Модификации гистонов и регуляция работы хроматина |оригинал= |ссылка= |автор издания= |издание= Генетика|тип= |место= |издательство= |год=2006 |выпуск= |том=42|номер=9 |страницы= 1170-1185|isbn= |issn= |doi= |bibcode= |arxiv= |pmid= |язык= |ref= |archiveurl= |archivedate=}}</ref>.
По две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4 составляют октамер, обвитый сегментом ДНК длиной 146 пар оснований (п.о.), образующим 1,8 витка спирали поверх белковой структуры. Эта частица диаметром 7 нм называется [[нуклеосома|нуклеосомой]]. Участок ДНК, соединяющий соседние нуклеосомы и непосредственно не контактирующий с гистоновым октамером, взаимодействует с линкерным гистоном Н1. <!--Этот белок закрывает примерно 20 п.о. и обеспечивает формирование суперспиральной структуры (соленоида) диаметром 30 нм. Когда хроматин конденсируется с образованием метафазной хромосомы, соленоидные структуры образуют петли диаметром 200 нм, содержащие ДНК длиной 80000 п.о. Петли связаны с остовом из белков (ядерный остов), причём примерно 20 петель образуют минидиски. Большое число минидисков укладывается в стопку, составляя хромосому. Вследствие этого ДНК оказывается свернута настолько плотно, что даже самая маленькая хромосома человека содержит около 50 млн п.о.--> Длина фрагмента ДНК, приходящегося на одну нуклеосому, варьирует и составляет в среднем 200 п.о. При этом непосредственно с нуклеосомой связаны 146 п.о., а остальные несколько десятков соединяют две соседние нуклеосомы<ref name="Коряков">{{статья |автор=Коряков Д. Е. |заглавие=Модификации гистонов и регуляция работы хроматина |оригинал= |ссылка= |автор издания= |издание= Генетика|тип= |место= |издательство= |год=2006 |выпуск= |том=42|номер=9 |страницы= 1170-1185|isbn= |issn= |doi= |bibcode= |arxiv= |pmid= |язык= |ref= |archiveurl= |archivedate=}}</ref>.


ДНК и нуклеосомные гистоны прочно соединены: в каждой нуклеосоме между ДНК и гистонами, входящими в её состав, образуется 142 [[Водородная связь|водородные связи]]. Почти половина этих связей возникает между основной цепью аминокислот гистонов и фосфодиэфирными группами сахарнофосфатного остова ДНК. Помимо водородных связей ДНК с белками нуклеосомы скрепляют многочисленные [[Гидрофобность|гидрофобные]] взаимодействия и солевые мостики. Например, положительные заряды аминокислот лизина и аргинина, которыми обогащены гистоны, могут эффективно нейтрализовать отрицательный заряд остова ДНК. Эти многочисленные взаимодействия отчасти объясняют, почему ДНК практически любой последовательности может быть связана с нуклеосомным октамером<ref name="MolBiol">{{книга |автор= |часть= |ссылка часть= |заглавие=Молекулярная биология клетки: в 3-х томах |оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный= Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др|издание= |место= М.-Ижевск|издательство= НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований|год= 2013|том= I|страницы= 325-359|столбцы= |страниц=808 |серия= |isbn= 978-5-4344-0112-8|тираж= |ref= }}</ref>.
ДНК и нуклеосомные гистоны прочно соединены: в каждой нуклеосоме между ДНК и гистонами, входящими в её состав, образуется 142 [[Водородная связь|водородные связи]]. Почти половина этих связей возникает между основной цепью аминокислот гистонов и фосфодиэфирными группами сахарнофосфатного остова ДНК. Помимо водородных связей ДНК с белками нуклеосомы скрепляют многочисленные [[Гидрофобность|гидрофобные]] взаимодействия и солевые мостики. Например, положительные заряды аминокислот [[лизин]]а и [[аргинин]]а, которыми обогащены гистоны, могут эффективно нейтрализовать отрицательный заряд остова ДНК. Эти многочисленные взаимодействия отчасти объясняют, почему ДНК практически любой последовательности может быть связана с нуклеосомным октамером<ref name="MolBiol">{{книга |автор= |часть= |ссылка часть= |заглавие=Молекулярная биология клетки: в 3-х томах |оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный= Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др|издание= |место= М.-Ижевск|издательство= НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований|год= 2013|том= I|страницы= 325—359|столбцы= |страниц=808 |серия= |isbn= 978-5-4344-0112-8|тираж= |ref= }}</ref>.


=== Структура кóровых гистонов ===
=== Структура кóровых гистонов ===
Кóровые гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4 являются небольшими белками с молекулярными массами 10 — 15 кДа, состав которых чрезвычайно обогащён положительно заряженными аминокислотами [[лизин]]ом и [[аргинин]]ом<ref name="Разин" />. Положительно заряженные аминокислоты сосредоточены в основном в [[Аминогруппа|аминных]] (N-) и [[Карбоксильная группа|карбоксильных]] (C-) (см. [[Пептидная связь]]) концевых частях молекул коровых гистонов, называемых хвостами. Гистоновые хвосты длиной около 15 — 30 аминокислотных остатков не организованы в какие-либо выраженные вторичные структуры. Гистоновые хвосты, прежде всего N-хвост, играют ключевую роль в эпигенетических механизмах, в которых участвуют эти белки. В центральных, самых консервативных, участках полипептидной цепи кóровых гистонов преобладают остатки гидрофобных аминокислот. Именно эти центральные области участвуют в образовании нуклеосомного октамера, на который навивается ДНК<ref name="Карпов" />. Центральная область всех нуклеосомных гистонов имеет характерную вторичную структуру с протяжённым α-спиральным доменом, который с обеих сторон фланкируется доменами, содержащими по одной петле и по одной короткой α-спирали. Эта пространственная структура называется ''гистоновой складкой'' ({{lang-en|histone fold domain}}, HFD)<ref name="Коряков2">{{книга |автор= Коряков Д. Е.|часть= Нуклеосомная организация хроматина|ссылка часть= |заглавие=Эпигенетика |оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный= С. М. Закиян, В.В. Власов, Е. В. Дементьева|издание= |место= Новосибирск|издательство= Изд-во СО РАН|год=2012 |том= |страницы= 7-30|столбцы= |страниц= 592|серия= |isbn=978-5-7692-1227-7 |тираж=300 |ref= }}</ref>. Таким образом, нуклеосомные гистоны содержат центральный структурированный трехспиральный HFD-домен и неструктурированные N- и C-хвосты.
Кóровые гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4 являются небольшими белками с молекулярными массами 10—15 [[дальтон (единица измерения)|кДа]], состав которых чрезвычайно обогащён положительно заряженными аминокислотами [[лизин]]ом и [[аргинин]]ом<ref name="Разин" />. Положительно заряженные аминокислоты сосредоточены в основном в [[Аминогруппа|аминных]] (N-) и [[Карбоксильная группа|карбоксильных]] (C-) (см. [[Пептидная связь]]) концевых частях молекул коровых гистонов, называемых хвостами. Гистоновые хвосты длиной около 15—30 аминокислотных остатков не организованы в какие-либо выраженные вторичные структуры. Гистоновые хвосты, прежде всего N-хвост, играют ключевую роль в эпигенетических механизмах, в которых участвуют эти белки. В центральных, самых консервативных, участках полипептидной цепи кóровых гистонов преобладают остатки гидрофобных аминокислот. Именно эти центральные области участвуют в образовании нуклеосомного октамера, на который навивается ДНК<ref name="Карпов" />. Центральная область всех нуклеосомных гистонов имеет характерную вторичную структуру с протяжённым α-спиральным доменом, который с обеих сторон фланкируется доменами, содержащими по одной петле и по одной короткой α-спирали. Эта пространственная структура называется ''гистоновой складкой'' ({{lang-en|histone fold domain}}, HFD)<ref name="Коряков2">{{книга |автор= Коряков Д. Е.|часть= Нуклеосомная организация хроматина|ссылка часть= |заглавие=Эпигенетика |оригинал= |ссылка= |викитека= |ответственный= С. М. Закиян, В.В. Власов, Е. В. Дементьева|издание= |место= Новосибирск|издательство= Изд-во СО РАН|год=2012 |том= |страницы= 7—30|столбцы= |страниц= 592|серия= |isbn=978-5-7692-1227-7 |тираж=300 |ref= }}</ref>. Таким образом, нуклеосомные гистоны содержат центральный структурированный трехспиральный HFD-домен и неструктурированные N- и C-хвосты.


Гистоны H3 и H4, Н2А и H2B попарно узнают друг друга. Спиральные домены взаимодействуют между собой, образуя структуры, названные рукопожатием, в результате чего возникают гетеродимеры — Н3-Н4 и Н2А-Н2В. Из первого димера, в свою
Гистоны H3 и H4, Н2А и H2B попарно узнают друг друга. Спиральные домены взаимодействуют между собой, образуя структуры, названные рукопожатием, в результате чего возникают гетеродимеры — Н3-Н4 и Н2А-Н2В. Из первого димера, в свою очередь, образуется тетрамер (Н3-Н4)<sub>2</sub>. Тетрамер (Н3-Н4)<sub>2</sub> и два димера Н2А-Н2В составляют гистоновый октамер, сердцевину нуклеосомы<ref name="Карпов" />. Нуклеосома имеет клиновидную форму. Её узкую часть составляет (Н3-Н4)<sub>2</sub>, а широкая часть состоит из двух димеров Н2А-Н2В, которые расположены по бокам тетрамера (Н3-Н4)<sub>2</sub> и не взаимодействуют друг с другом. Из всей ДНК, что намотана на нуклеосомный октамер, примерно 80 пар оснований связаны с тетрамером (Н3-Н4)<sub>2</sub> и около 40 пар с димерами Н2А-Н2В<ref name="Коряков2" />.
очередь, образуется тетрамер (Н3-Н4)<sub>2</sub>. Тетрамер (Н3-Н4)<sub>2</sub> и два димера Н2А-Н2В составляют гистоновый октамер, сердцевину нуклеосомы<ref name="Карпов" />. Нуклеосома имеет клиновидную форму. Её узкую часть составляет (Н3-Н4)<sub>2</sub>, а широкая часть состоит из двух димеров Н2А-Н2В, которые расположены по бокам тетрамера (Н3-Н4)<sub>2</sub> и не взаимодействуют друг с другом. Из всей ДНК, что намотана на нуклеосомный октамер, примерно 80 пар оснований связаны с тетрамером (Н3-Н4)<sub>2</sub> и около 40 пар с димерами Н2А-Н2В<ref name="Коряков2" />.


=== Структура линкерного гистона H1/Н5 ===
=== Структура линкерного гистона H1/Н5 ===
Строка 96: Строка 95:


== Модификации гистонов ==
== Модификации гистонов ==
Гистоны в октамере имеют подвижный N-концевой фрагмент («хвост») из 20 аминокислот, который выступает из нуклеосом и важен для поддержания структуры хроматина и контроля за генной экспрессией. Так, например, некоторые модификации гистонов ([[фосфорилирование]] и [[ацетилирование]]), как известно, локализованы преимущественно на участках хроматина с активными генами<ref>Y. Zheng, S. John, J. J. Pesavento, J. R. Schultz-Norton, R. L. Schiltz, S. Baek, A. M. Nardulli, G. L. Hager, N. L. Kelleher, C. A. Mizzen. Histone H1 phosphorylation is associated with transcription by RNA polymerases I and II. The Journal of Cell Biology, 2010; 189 (3): 407 DOI: 10.1083/jcb.201001148</ref><ref>Creyghton MP, Cheng AW, Welstead GG, Kooistra T, Carey BW, Steine EJ, Hanna J, Lodato MA, Frampton GM, Sharp PA, Boyer LA, Young RA, [[Йениш, Рудольф|Jaenisch R.]](2010)Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state.
Гистоны в октамере имеют подвижный N-концевой фрагмент («хвост») из 20 аминокислот, который выступает из нуклеосом и важен для поддержания структуры хроматина и контроля за генной экспрессией. Так, например, некоторые модификации гистонов ([[фосфорилирование]] и [[ацетилирование]]), как известно, локализованы преимущественно на участках хроматина с активными генами<ref>{{статья|автор=Zheng Y. et al. |заглавие=Histone H1 phosphorylation is associated with transcription by RNA polymerases I and II|издание=The Journal of Cell Biology|год=2010|том=189|выпуск=3|страницы=407|язык=en|doi=10.1083/jcb.201001148}}</ref><ref>{{статья|автор=Creyghton M. P. et al. |заглавие=Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state|издание=Proc Natl Acad Sci U S A|год=2010|том=107|выпуск=50|страницы=21931-6|язык=en|doi=10.1073/pnas.1016071107}}</ref>, тогда как их [[Деацетилазы гистонов|деацетилирование]]<ref>{{статья|автор=Guang Hu, Paul A. Wade |заглавие=NuRD and Pluripotency: A Complex Balancing Act|издание=Cell Stem Cell|год=2012|том=10|выпуск=5|страницы=497—503|язык=en|doi=10.1016/j.stem.2012.04.011|ссылка=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590912001774}}</ref> и [[метилирование]] [[Белки группы polycomb|репрессорным комплексом поликомб]] играют важную роль в поддержании [[Плюрипотентность|плюрипотентности]] и [[дифференцировка клеток|дифференцировке]]<ref>{{статья|автор=Gerasimova A. et al. |заглавие=Predicting Cell Types and Genetic Variations Contributing to Disease by Combining GWAS and Epigenetic Data|издание=PLoS One|год=2013|том=8|выпуск=1|страницы=e54359|язык=en|doi=10.1371/journal.pone.0054359|ссылка=}}</ref>.
Proc Natl Acad Sci U S A.;107(50):21931-6. doi: 10.1073/pnas.1016071107</ref>, тогда как их [[Деацетилазы гистонов|деацетилирование]]<ref>Guang Hu, Paul A. Wade (2012) [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590912001774 NuRD and Pluripotency: A Complex Balancing Act], 10(5), 497—503 https://dx.doi.org/10.1016/j.stem.2012.04.011</ref> и [[метилирование]] [[Белки группы polycomb|репрессорным комплексом поликомб]] играют важную роль в поддержании [[Плюрипотентность|плюрипотентности]] и [[дифференцировка клеток|дифференцировке]].<ref>Gerasimova A, Chavez L, Li B, Seumois G, Greenbaum J, Rao A, Vijayanand P, Peters B. (2013) Predicting Cell Types and Genetic Variations Contributing to Disease by Combining GWAS and Epigenetic Data. PLoS One. ;8(1): e54359. doi: 10.1371/journal.pone.0054359.</ref>


Детали механизма регуляции до конца не выяснены.<ref>[http://www.sciencedaily.com/releases/2013/02/130208105720.htm Histone Modification Controls Development: Chemical Tags On Histones Regulate Gene Activity]</ref><ref>Pengelly A.R., O. Copur, H. Jackle, A. Herzig, J. Muller.(2013) A Histone Mutant Reproduces the Phenotype Caused by Loss of Histone-Modifying Factor Polycomb. Science; 339 (6120): 698 DOI: 10.1126/science.1231382</ref><ref>[https://pbs.twimg.com/media/CWgQRvCW4AAKeg4.jpg How Histone Modifications Regulate Gene Expression] DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2015.10.007</ref>
Детали механизма регуляции до конца не выяснены<ref>{{статья|автор=Pengelly A. R. et al. |заглавие=A Histone Mutant Reproduces the Phenotype Caused by Loss of Histone-Modifying Factor Polycomb|издание=Science|год=2013 |том=339|выпуск=6120|страницы=698 |язык=en |doi=10.1126/science.1231382 |ссылка=}}</ref><ref>[http://www.sciencedaily.com/releases/2013/02/130208105720.htm Histone Modification Controls Development: Chemical Tags On Histones Regulate Gene Activity]</ref><ref>{{статья|автор= Moyra Lawrence, Sylvain Daujat, Robert Schneider |заглавие=How Histone Modifications Regulate Gene Expression|издание=Trends in Genetics|год=2015 |том=32|выпуск=1|страницы=42—56 |язык=en |doi=10.1016/j.tig.2015.10.007 |ссылка=}}</ref>.


== Консервативность гистонов ==
== Консервативность гистонов ==

Версия от 17:15, 9 марта 2018

Образование нуклеосомы
«Рукопожатие» гистонов
Линкерный гистон H5: вид в двух проекциях
Схематическое изображение структуры нуклеосомы

Гисто́ны — обширный 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, называемые 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. В хроматине гистоны составляют 25—40 % сухого веса[1]. Благодаря высокому содержанию лизина и аргинина гистоны проявляют сильно оснóвные свойства. Гистоны непосредственно контактируют с ДНК и способны нейтрализовать отрицательный заряд фосфатных групп ДНК за счёт положительных зарядов аминокислотных остатков. Последовательность аминокислот в этих белках является консервативной и практически не различается в организмах различных таксонов. Гистоны присутствуют в ядрах эукариотических клеток; у бактерий гистонов нет, но они выявлены у архей группы Euryarchaea[2].

Гистоны обнаружены в 1884 году немецким биохимиком Альбрехтом Косселем[3].

Структура нуклеосомы и гистоновых белков

По две молекулы каждого из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4 составляют октамер, обвитый сегментом ДНК длиной 146 пар оснований (п.о.), образующим 1,8 витка спирали поверх белковой структуры. Эта частица диаметром 7 нм называется нуклеосомой. Участок ДНК, соединяющий соседние нуклеосомы и непосредственно не контактирующий с гистоновым октамером, взаимодействует с линкерным гистоном Н1. Длина фрагмента ДНК, приходящегося на одну нуклеосому, варьирует и составляет в среднем 200 п.о. При этом непосредственно с нуклеосомой связаны 146 п.о., а остальные несколько десятков соединяют две соседние нуклеосомы[4].

ДНК и нуклеосомные гистоны прочно соединены: в каждой нуклеосоме между ДНК и гистонами, входящими в её состав, образуется 142 водородные связи. Почти половина этих связей возникает между основной цепью аминокислот гистонов и фосфодиэфирными группами сахарнофосфатного остова ДНК. Помимо водородных связей ДНК с белками нуклеосомы скрепляют многочисленные гидрофобные взаимодействия и солевые мостики. Например, положительные заряды аминокислот лизина и аргинина, которыми обогащены гистоны, могут эффективно нейтрализовать отрицательный заряд остова ДНК. Эти многочисленные взаимодействия отчасти объясняют, почему ДНК практически любой последовательности может быть связана с нуклеосомным октамером[5].

Структура кóровых гистонов

Кóровые гистоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4 являются небольшими белками с молекулярными массами 10—15 кДа, состав которых чрезвычайно обогащён положительно заряженными аминокислотами лизином и аргинином[6]. Положительно заряженные аминокислоты сосредоточены в основном в аминных (N-) и карбоксильных (C-) (см. Пептидная связь) концевых частях молекул коровых гистонов, называемых хвостами. Гистоновые хвосты длиной около 15—30 аминокислотных остатков не организованы в какие-либо выраженные вторичные структуры. Гистоновые хвосты, прежде всего N-хвост, играют ключевую роль в эпигенетических механизмах, в которых участвуют эти белки. В центральных, самых консервативных, участках полипептидной цепи кóровых гистонов преобладают остатки гидрофобных аминокислот. Именно эти центральные области участвуют в образовании нуклеосомного октамера, на который навивается ДНК[3]. Центральная область всех нуклеосомных гистонов имеет характерную вторичную структуру с протяжённым α-спиральным доменом, который с обеих сторон фланкируется доменами, содержащими по одной петле и по одной короткой α-спирали. Эта пространственная структура называется гистоновой складкой (англ. histone fold domain, HFD)[7]. Таким образом, нуклеосомные гистоны содержат центральный структурированный трехспиральный HFD-домен и неструктурированные N- и C-хвосты.

Гистоны H3 и H4, Н2А и H2B попарно узнают друг друга. Спиральные домены взаимодействуют между собой, образуя структуры, названные рукопожатием, в результате чего возникают гетеродимеры — Н3-Н4 и Н2А-Н2В. Из первого димера, в свою очередь, образуется тетрамер (Н3-Н4)2. Тетрамер (Н3-Н4)2 и два димера Н2А-Н2В составляют гистоновый октамер, сердцевину нуклеосомы[3]. Нуклеосома имеет клиновидную форму. Её узкую часть составляет (Н3-Н4)2, а широкая часть состоит из двух димеров Н2А-Н2В, которые расположены по бокам тетрамера (Н3-Н4)2 и не взаимодействуют друг с другом. Из всей ДНК, что намотана на нуклеосомный октамер, примерно 80 пар оснований связаны с тетрамером (Н3-Н4)2 и около 40 пар с димерами Н2А-Н2В[7].

Структура линкерного гистона H1/Н5

С внешней стороной нуклеосомы в районе тетрамера (Н3-Н4)2 связывается линкерный гистон H1, фиксирующий тем самым на нуклеосоме нить ДНК. В эритроцитах птиц и рептилий в неактивном хроматине вместо гистона Н1 присутствует близкородственный гистон Н5[7]. Гистон Н1/Н5 существенно отличается от четырёх коровых гистонов. Он имеет молекулярную массу более 20 кДа. В его составе значительно больше остатков лизина, чем аргинина, причём все положительно заряженные аминокислотные остатки сконцентрированы на С-конце молекулы Н1. С-конец молекулы Н1 характеризуется неупорядоченной структурой и имеет длину около 100 аминокислотных остатков. Центральная часть молекулы Н1 богата гидрофобными аминокислотными остатками и в растворе образует глобулу. N-конец не имеет упорядоченной структуры и является относительно коротким[6].

Варианты гистонов

Каждый тип гистонов, кроме гистона H4, представляет собой группу, состоящую из канонических гистонов и гистоновых вариантов.

Роль гистоновых вариантов состоит в том, чтобы сохраняя нуклеосомную укладку хроматина, увеличивать или уменьшать её устойчивость, создавать особый контекст в каждом конкретном участке хроматина и тем самым управлять процессами транскрипции, репликации и репарации[7].

Гены гистонов

Гены классических гистонов присутствуют в геноме в нескольких копиях и собраны в тандемно повторённые кластеры. Кластерная организация генов канонических гистонов характерна для всех многоклеточных. У человека самый большой кластер этих генов, называемый HIST1 и состоящий из 55 генов, находится на хромосоме 6 в участке 6p21-p22. Два кластера меньших размеров находятся на хромосоме 1: в бэнде 1q21 находится кластер HIST2, содержащий 6 гистоновых генов, а в бэнде 1q42 находится кластер HIST3, состоящий из трёх генов. Вне трёх вышеописанных кластеров на хромосоме 12 в бэнде 12p13.1 находится единственный ген, кодирующий канонический коровый гистон, — ген HIST4H4, кодирующий гистон H4[8].

Характерной чертой генов канонических гистонов является отсутствие интронов. Транскрипция этих генов происходит строго во время S-фазы клеточного цикла. Матричная РНК этих генов не полиаденилируется, 3'-некодирующая часть мРНК уложена во вторичную структуру типа «стебель-петля»[9].

В противоположность генам канонических гистонов гены вариантных гистонов не образуют кластеров, они разбросаны по всему геному, нередко содержат интроны, транскрибируемая с них РНК полиаденируется, транскрипция происходит во время всего клеточного цикла.

Таблица. Гены гистонов у человека
Суперсемейство Семейство Подсемейство Гены
Линкерный гистон
Гистон Н1
Вариантные гистоны H1 (подсемейство H1F) H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX, HILS1
Гены канонического гистона H1 в кластере HIST1 (H1H1) HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T
Коровые гистоны
Гистон H2A
Вариантные гистоны H2A (H2AF) H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ
Гены канонического гистона H2A в кластере HIST1 (H2A1) HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM
Гены канонического гистона H2A в кластере HIST2 (H2A2) HIST2H2AA3, HIST2H2AC
Гистон H2B
Вариантные гистоны H2B (H2BF) H2BFM, H2BFS, H2BFWT
Гены канонического гистона H2B в кластере HIST1 (H2B1) HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H2BM, HIST1H2BN, HIST1H2BO
Ген канонического гистона H2A в кластере HIST2 (H2B2) HIST2H2BE
Гистон H3
Гены канонического гистона H3 в кластере HIST1 (H3A1) HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J
Гены канонического гистона H3 в кластере HIST2 (H3A2) HIST2H3C
Гены канонического гистона H3 в кластере HIST3 (H3A3) HIST3H3
Гистон H4
Гены канонического гистона H4 в кластере HIST1 (H41) HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L
Ген канонического гистона H4 вне кластеров HIST4H4

Модификации гистонов

Гистоны в октамере имеют подвижный N-концевой фрагмент («хвост») из 20 аминокислот, который выступает из нуклеосом и важен для поддержания структуры хроматина и контроля за генной экспрессией. Так, например, некоторые модификации гистонов (фосфорилирование и ацетилирование), как известно, локализованы преимущественно на участках хроматина с активными генами[10][11], тогда как их деацетилирование[12] и метилирование репрессорным комплексом поликомб играют важную роль в поддержании плюрипотентности и дифференцировке[13].

Детали механизма регуляции до конца не выяснены[14][15][16].

Консервативность гистонов

Последовательность аминокислот гистонов, то есть их первичная структура, мало изменилась в процессе эволюции. Это хорошо видно при сравнении аминокислотной последовательности гистонов млекопитающих, растений и дрожжей. Так, Н4 человека и пшеницы отличаются лишь несколькими аминокислотами. К тому же размер молекулы белка и её полярность довольно постоянны. Из этого можно заключить, что гистоны были оптимизированы ещё в эпоху общего предшественника животных, растений и грибов (более 700 млн лет назад). Хотя с тех пор в гистоновых генах происходили бесчисленные точечные мутации, все они, очевидно, приводили к вымиранию мутантных организмов.

См. также

Примечания

  1. ↑ Биологический энциклопедический словарь / Гл.ред. М.С.Гиляров. — М.: Сов. энциклопедия, 1986. — 831 с.
  2. ↑ Нуклеиновые кислоты: от А до Я / Б. Аппель [и др.]. — М.: Бином: Лаборатория знаний, 2013. — 413 с. — 700 экз. — ISBN 978-5-9963-0376-2.
  3. ↑ 1 2 3 Карпов В.Л. От чего зависит судьба гена // Природа. — 2005. — № 3. — С. 34—43.
  4. ↑ Коряков Д. Е. Модификации гистонов и регуляция работы хроматина // Генетика. — 2006. — Т. 42, № 9. — С. 1170-1185.
  5. ↑ Молекулярная биология клетки: в 3-х томах / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. — М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — Т. I. — С. 325—359. — 808 с. — ISBN 978-5-4344-0112-8.
  6. ↑ 1 2 Разин С. В. Хроматин: упакованный геном / С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. — М.: БИНОМ: Лаборатория знаний, 2009. — С. 4-8. — 176 с. — ISBN 978-5-9963-0087-7.
  7. ↑ 1 2 3 4 Коряков Д. Е. Нуклеосомная организация хроматина // Эпигенетика / С. М. Закиян, В.В. Власов, Е. В. Дементьева. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. — С. 7—30. — 592 с. — 300 экз. — ISBN 978-5-7692-1227-7.
  8. ↑ Marzluff WF, Gongidi P, Woods KR, Jin J, Maltais LJ (2002). "The human and mouse replication-dependent histone genes" (PDF). Genomics. 80 (5): 487—98. PMID 12408966. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |month= игнорируется (справка)Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  9. ↑ Marzluff WF, Wagner EJ, Duronio RJ (2008). "Metabolism and regulation of canonical histone mRNAs: life without a poly(A) tail". Nat. Rev. Genet. 9 (11): 843—54. doi:10.1038/nrg2438. PMC 2715827. PMID 18927579. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |month= игнорируется (справка)Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  10. ↑ Zheng Y. et al. Histone H1 phosphorylation is associated with transcription by RNA polymerases I and II (англ.) // The Journal of Cell Biology. — 2010. — Vol. 189, iss. 3. — P. 407. — doi:10.1083/jcb.201001148.
  11. ↑ Creyghton M. P. et al. Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state (англ.) // Proc Natl Acad Sci U S A. — 2010. — Vol. 107, iss. 50. — P. 21931-6. — doi:10.1073/pnas.1016071107.
  12. ↑ Guang Hu, Paul A. Wade. NuRD and Pluripotency: A Complex Balancing Act (англ.) // Cell Stem Cell. — 2012. — Vol. 10, iss. 5. — P. 497—503. — doi:10.1016/j.stem.2012.04.011.
  13. ↑ Gerasimova A. et al. Predicting Cell Types and Genetic Variations Contributing to Disease by Combining GWAS and Epigenetic Data (англ.) // PLoS One. — 2013. — Vol. 8, iss. 1. — P. e54359. — doi:10.1371/journal.pone.0054359.
  14. ↑ Pengelly A. R. et al. A Histone Mutant Reproduces the Phenotype Caused by Loss of Histone-Modifying Factor Polycomb (англ.) // Science. — 2013. — Vol. 339, iss. 6120. — P. 698. — doi:10.1126/science.1231382.
  15. ↑ Histone Modification Controls Development: Chemical Tags On Histones Regulate Gene Activity
  16. ↑ Moyra Lawrence, Sylvain Daujat, Robert Schneider. How Histone Modifications Regulate Gene Expression (англ.) // Trends in Genetics. — 2015. — Vol. 32, iss. 1. — P. 42—56. — doi:10.1016/j.tig.2015.10.007.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Гистоны&oldid=91412619