Histoner (från grekiskan ἱστός "vävnad") är en omfattande klass av nukleära proteiner som utför två huvudfunktioner: deltagande i packningen av DNA-strängar i kärnan och epigenetisk reglering av sådana kärnprocesser som transkription , replikation och reparation .
I kromatin utgör histoner 25-40 % av torrvikten [1] . På grund av det höga innehållet av lysin och arginin uppvisar histoner starkt grundläggande egenskaper. Histoner är i direkt kontakt med DNA och kan neutralisera den negativa laddningen av DNA-fosfatgrupper på grund av de positiva laddningarna av aminosyrarester. Sekvensen av aminosyror i dessa proteiner är konservativ och skiljer sig praktiskt taget inte åt i organismer med olika taxa . Histoner finns i kärnorna i eukaryota celler; bakterier har inga histoner, men de finns i archaea av Euryarchaea- gruppen [2] .
Histoner upptäcktes 1884 av den tyske biokemisten Albrecht Kossel [3] .
Det finns bara fem olika typer av histoner H1/H5, H2A, H2B, H3, H4.
Histonerna H2A, H2B, H3, H4, som kallas kärnhistoner (från engelska kärnan "kärna; kärna"), bildar en nukleosom , som är en proteinkula runt vilken en DNA-sträng är lindad. Den centrala subenheten av alla kärnhistoner har samma sekundära struktur med en utökad α-helixdomän, som flankeras på båda sidor av domäner som innehåller en slinga och en kort α-helix. Denna underenhet kallas "histonvecket" [4] .
Alla fyra typer av kärnhistoner har samma "histonveck", medan sekvensidentiteten mellan dem är ganska låg [5] (enligt vissa uppskattningar, inte överstiger 25%).
H1/H5- histonen , som kallas länkhistonen , binder till utsidan av nukleosomen och förankrar DNA-strängen på den. Sektionen av DNA som följer den kallas länk-DNA (ungefär 100 baspar). Histone H1 är den största av alla histoner. Det skiljer sig från kärnhistoner och påverkar ytterligare kromatinförpackningar [4] .
Nukleosomer och länkhistoner har ett antal funktioner som bestämmer kromatindynamiken. Till exempel är histon H1 en DNA-strängfixerare på nukleosomen, och därmed kontrollerar den tillgängligheten för kromatin [6] . I sin tur kan kärnhistoner förändra den inre sammansättningen och därigenom påverka kromatinets tillgänglighet till vissa DNA-regioner. Dessutom genomgår nukleosomala proteiner ett antal posttranslationella modifieringar under celllivet, inklusive acetylering, metylering, fosforylering och ubiquitylering, vilket kan förändra egenskaper och påverka nukleosomens interaktion med olika proteiner.
Nukleosomen är cirka 147 baspar (bp) DNA, som är lindad runt en oktamer (~1,67 varv av helixen) som består av par av proteiner som kallas kärnhistoner. Dess diameter är 7 nm. Längden på ett DNA-fragment som "omfamnar" en nukleosom varierar, i genomsnitt 200 bp. Samtidigt är 146 bp direkt kopplade till nukleosomen, och de återstående flera tiotal förbinder två angränsande nukleosomer [7] . Linkerhistonen H1 interagerar med länkregionen av DNA utan att komma i kontakt med histonoktameren.
Kontakten mellan nukleosomens histoner och DNA är ganska stark. I varje nukleosom bildas 142 vätebindningar mellan DNA och de histoner som utgör det . Nästan hälften av dessa bindningar sker mellan huvudkedjan av histonaminosyror och fosfodiestergrupperna i sockerfosfatryggraden i DNA. Förutom vätebindningar mellan DNA och proteiner håller nukleosomer samman många hydrofoba interaktioner och saltbryggor. Till exempel kan de positiva laddningarna av aminosyrorna lysin och arginin , med vilka histoner berikas, effektivt neutralisera DNA-ryggradens negativa laddning. Dessa multipla interaktioner förklarar delvis varför nästan vilken DNA-sekvens som helst kan kopplas till en nukleosomal oktamer [8] .
Kohistoner H2A, H2B, H3 och H4 är små proteiner med molekylvikter på 10–15 kDa , vars sammansättning är extremt berikad av positivt laddade aminosyror lysin och arginin [9] . Positivt laddade aminosyror koncentreras huvudsakligen i amin (N-) och karboxyl (C-) (se Peptidbindning ) terminala delar av kärnhistonmolekyler som kallas svansar. Histonsvansar, cirka 15-30 aminosyrarester långa, är inte organiserade i några uttalade sekundära strukturer. Histonsvansar, främst N-svansen, spelar en nyckelroll i de epigenetiska mekanismer som dessa proteiner är involverade i. Hydrofoba aminosyrarester dominerar i de centrala, mest konserverade regionerna av kärnhistonpolypeptidkedjan. Det är dessa centrala regioner som är involverade i bildandet av den nukleosomala oktameren, på vilken DNA slingrar sig [3] . Den centrala regionen av alla nukleosomala histoner har en karakteristisk sekundär struktur med en utökad α-helixdomän, som flankeras på båda sidor av domäner som innehåller en slinga och en kort α-helix. Denna rumsliga struktur kallas histonvecket ( engelsk histonfolddomain , HFD) [10] . Således innehåller nukleosomala histoner en central strukturerad tresträngad HFD-domän och ostrukturerade N- och C-svansar.
Histonerna H3 och H4, H2A och H2B känner igen varandra i par. Heliska domäner interagerar med varandra och bildar strukturer som kallas handskakning, vilket resulterar i heterodimerer - H3-H4 och H2A-H2B. Från den första dimeren bildas i sin tur en tetramer (Н3-Н4) 2 . Tetrameren (H3-H4) 2 och två dimerer H2A-H2B utgör histonoktameren, kärnan i nukleosomen [3] . Nukleosomen är kilformad. Dess smala del är (H3-H4) 2 och den breda delen består av två dimerer H2A-H2B, som är belägna på sidorna av tetrameren (H3-H4) 2 och inte interagerar med varandra. Av allt DNA som är lindat runt den nukleosomala oktameren är cirka 80 baspar associerade med (H3-H4) 2 -tetrameren och cirka 40 baspar med H2A-H2B-dimererna [10] .
Linkerhistonen H1 binder till den yttre sidan av nukleosomen i regionen av (H3-H4) 2 -tetrameren och fixerar därigenom DNA-strängen på nukleosomen. I erytrocyterna hos fåglar och reptiler i inaktivt kromatin, i stället för histon H1, finns en närbesläktad histon H5 [10] . Histon H1/H5 skiljer sig väsentligt från de fyra kärnhistonerna. Den har en molekylvikt på över 20 kDa. Den innehåller betydligt fler lysinrester än arginin, och alla positivt laddade aminosyrarester är koncentrerade vid C-terminalen av H1-molekylen. C-terminalen av H1-molekylen kännetecknas av en oordnad struktur och är cirka 100 aminosyrarester lång. Den centrala delen av H1-molekylen är rik på hydrofoba aminosyrarester och bildar en kula i lösning. N-terminalen har inte en ordnad struktur och är relativt kort [9] .
En av de viktiga faktorerna som reglerar funktionen hos eukaryota celler på nukleosomnivå är ersättningen av histoner med deras varianter . Det finns två typer av histoner: kanoniska och histonvarianter.
Alla histoner, utom histon H4, har olika varianter som motsvarar den. De kanoniska histonerna (H2A, H2B, H3, H4, H1/H5) är vanligtvis replikeringsberoende [4] . De uttrycks särskilt i cellcykelns S-fas. Medan histonvarianter (H2A.Z, H2A.B, ..., H2B.W, H2B.Z, ..., H3.3, H3.Y, H3.5, ..., H1.0, H1. 10) är oberoende av replikation och uttrycks under hela cellens liv. Både kanoniska histoner och deras varianter kan ha sina egna särdrag beroende på typen av organism. Även om det också finns universella histoner [11] .
Histonvarianters roll är att bevara den nukleosomala kromatinveckningen, öka eller minska dess stabilitet, skapa ett speciellt sammanhang i varje specifik kromatinregion och därigenom kontrollera processerna för transkription, replikering och reparation [10] . Varje histonvariant har en karakteristisk sekvens och strukturella egenskaper som förklarar dess specifika funktion [4] . Dessutom, medan vissa varianter kan skilja sig åt med endast ett par aminosyrarester, kan andra ha lägre likhet. Till exempel skiljer sig H2B och H2B.E endast med fyra eller fem aminosyrarester, medan de två subvarianterna av H2A.Z (H2A.Z.1 och H2A.Z.2) hos ryggradsdjur skiljer sig endast med tre. En liknande situation observeras mellan histonvarianten H2A.X och dess kanoniska form. Det skiljer sig från H2A i det funktionellt viktiga Ser-Gln-(Glu/Asp)-P C-terminala fosforyleringsmotivet, där P är en hydrofob rest. Alternativspecifik serinfosforylering i detta motiv kan inträffa under bildandet av DNA-dubbelsträngsbrott och kan vara viktigt för rekrytering och retention av olika kromatinremodelleringsfaktorer för att främja reparation av dubbelsträngsbrott. Ett exempel på ett par lägre identitetsvarianter är H2A.L, som endast har 24% sekvensidentitet med kanonisk H2A [11] .
Det är känt att modifikationer över histonvarianter ofta visar sig vara desamma som i deras kanoniska former. Till exempel är Lys4 i H3.3 ofta trimetylerad (H3.3K4me3), medan Lys18 och Lys23 ofta acetyleras (H3.3K18ac respektive H3.3K23ac) [12] .
Klassiska histongener finns i arvsmassan i flera kopior och sätts samman i tandem upprepade kluster. Klusterorganisationen av kanoniska histongener är karakteristisk för alla flercelliga organismer . Hos människor finns det största klustret av dessa gener, som kallas HIST1 och består av 55 gener, på kromosom 6 i regionen 6p21-p22. Två mindre kluster finns på kromosom 1 : 1q21-bandet innehåller HIST2-klustret som innehåller 6 histongener, och 1q42-bandet innehåller HIST3-klustret som består av tre gener. Utanför de tre klustren som beskrivs ovan, på kromosom 12 , i 12p13.1-bandet, finns den enda genen som kodar för den kanoniska kärnhistonen, HIST4H4-genen som kodar för H4-histonen [13] .
Ett karakteristiskt drag hos kanoniska histongener är frånvaron av introner . Transkription av dessa gener sker strikt under S-fasen av cellcykeln . Budbärar-RNA:t för dessa gener är inte polyadenylerat, den 3'-icke-kodande delen av mRNA:t viks till en sekundär struktur med stamslingor [14] .
I motsats till kanoniska histongener, bildar varianthistongener inte kluster, de är utspridda i genomet, innehåller ofta introner, RNA:t som transkriberas från dem polyadener, och transkription sker under hela cellcykeln.
| superfamilj | Familj | Underfamilj | Gener |
|---|---|---|---|
| Linker histon | |||
| Histone H1 | |||
| H1-varianthistoner (H1F-underfamilj) | H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX, HILS1 | ||
| Kanoniska histon H1-gener i HIST1-klustret (H1H1) | HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T | ||
| Kärnhistoner | |||
| Histone H2A | |||
| Varianthistoner H2A (H2AF) | H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ | ||
| Kanoniska histon H2A-gener i HIST1 (H2A1)-klustret | HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM | ||
| Kanoniska histon H2A-gener i HIST2-klustret (H2A2) | HIST2H2AA3, HIST2H2AC | ||
| Histone H2B | |||
| Varianthistoner H2B (H2BF) | H2BFM, H2BFS, H2BFWT | ||
| Kanoniska histon-H2B-gener i HIST1 (H2B1)-klustret | HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H2HBO, HIST1H2BN, HIST1H2BN, HIST | ||
| Kanonisk histon H2A-gen i HIST2-klustret (H2B2) | HIST2H2BE | ||
| Histone H3 | |||
| Kanoniska histon H3-gener i HIST1 (H3A1)-klustret | HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J | ||
| Kanoniska histon H3-gener i HIST2-klustret (H3A2) | HIST2H3C | ||
| Kanoniska histon H3-gener i HIST3-klustret (H3A3) | HIST3H3 | ||
| Histone H4 | |||
| Kanoniska histon H4-gener i HIST1 (H41)-klustret | HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L | ||
| Kanonisk histon H4-gen utanför kluster | HIST4H4 |
Histonerna i oktameren har ett mobilt N-terminalt fragment ("svans") på 20 aminosyror, som sticker ut från nukleosomerna och är viktigt för att bibehålla kromatinstrukturen och kontrollera genuttrycket. Till exempel är vissa histonmodifieringar ( fosforylering och acetylering ) kända för att vara lokaliserade främst i kromatinregioner med aktiva gener [15] [16] , medan deras deacetylering [17] och metylering av polycomb-repressorkomplexet spelar en viktig roll för att upprätthålla pluripotens och differentiering [18] .
Detaljerna i regleringsmekanismen har inte helt klarlagts [19] [20] [21] .
Aminosyrasekvensen för histoner, det vill säga deras primära struktur, har förändrats lite under evolutionens gång. Detta ses tydligt när man jämför aminosyrasekvensen för däggdjurs-, växt- och jästhistoner. Sålunda skiljer sig människa och vete H4 endast i ett fåtal aminosyror. Dessutom är storleken på proteinmolekylen och dess polaritet ganska konstant. Av detta kan vi dra slutsatsen att histoner optimerades tillbaka i eran av den gemensamma föregångaren för djur, växter och svampar (för mer än 700 miljoner år sedan). Även om otaliga punktmutationer har förekommit i histongener sedan dess, ledde de alla tydligen till utrotning av muterade organismer.
| Kromosomer | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Main | |||||||||||
| Klassificering | |||||||||||
| Strukturera |
| ||||||||||
| Omstrukturering och kränkningar | |||||||||||
| Kromosomal könsbestämning | |||||||||||
| Metoder | |||||||||||