ГИСТОНЫ

Гистоны — это… Роль гистонов в ДНК

ГИСТОНЫ

Нуклеиновая кислота ДНК, входящая в ядра эукариотических клеток, компактно упакована благодаря особым структурам. В цитологии они носят специальное название – гистоны. Это пептиды, проявляющие основные химические свойства. Их строение и функции, выполняемые в клетке, будут рассмотрены в данной статье.

Как ДНК организовано в ядре

Для того чтобы «втиснуть» длинную полинуклеотидную цепь ДНК в микропространство клеточного ядра, в нем находятся своеобразные «катушки» — белки-гистоны. На них накручивается двухцепочечная нить дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Такая структура, расположенная в кариоплазме, носит название нуклеосомы. Биохимическими исследованиями установлено, что гистоновый белок организован в виде нескольких модификаций: гистон H1/H5, H2A, H2B, H3, H4.

Первый пептид из этого перечня принято называть линкерным, остальные коровыми. Именно эти белки-гистоны образуют нуклеосому.

Особенности строения нуклеосомных пептидов

Химический анализ установил факт избыточного содержания в коровых гистонах молекул таких аминокислот, как лизин и аргинин. Первая является незаменимой, а другая частично заменимой и присутствует практически во всех пептидах.

Белки-гистоны накапливают избыточные положительные заряды на остатках аминокислот. Они нейтрализуют суммарные отрицательные заряды анионов PO43- , входящих в состав ДНК.

Еще одна особенность строения этих белков заключается в том, что практически он идентичен у организмов, относящихся к царству Растения, Животные и Грибы.

Так как гистоны – это белки ядра, они вследствие своего строения, могут принимать участие в процессах, происходящих в кариоплазме.

Например, наиболее важен для процесса транскрипции пептид Н1 – гистоновый белок, удерживающий нуклеосомы, входящие в состав хроматина в упорядоченно-компактном ядре.

Также, в случае повреждения локусов ДНК, так называемые вариантные молекулы коровых пептидов участвуют в репарации этих участков.

Коровые пептиды

Они определяют строение нуклеосомы, которая состоит из четырех видов молекул, названных Н2А, Н2В и Н3 и Н4. В нуклеосомах находится по две молекулы каждого типа, такая структура называется октамером. Молекула дезоксирибонуклеиновой и коровые белки образуют между собой гидрофобные, водородные и ковалентные связи. Белки-гистоны являются сердцевиной нуклеосомы.

Также они содержат неструктурированные N-C-хвосты. Эти части состоят из 15-30 остатков аминокислот и принимают участие в эпигенетических процессах, контролирующих экспрессию генов.

Коровые гистоны центральной части нуклеосомы имеют малые молекулярные массы, в их участках, в отличие от хвостовых частей содержатся островки гидрофобных белковых мономеров: валина, пролина, лезина, метионина.

Последние научные исследования в области биохимии привели к появлению гипотезы гистонового кода. В отличие от генетического кода, являющегося универсальным для всех форм клеточной жизни на Земле, гистоновый код изменчив.

Под этим термином понимают видоизменения хвостовых участков пептидов в результате реакций ацетилирования, метилирования, фосфорилирования. Все вышеперечисленные химические процессы происходят в присутствии мультиферментных комплексов.

Благодаря таким биохимическим процессам, модифицирующим коровые гистоны, и происходит экспрессионная корректировка генов, которые контролируют внутриядерные реакции с участием ДНК: репарацию, транскрипцию, репликацию.

Сам же хроматин под воздействием изменений гистонового кода подвергается ремоделингу, то есть изменяет свою упаковку в нуклеосоме (уплотняет её или, наоборот, разрыхляет).

Гистон Н1, находящийся в хроматине, соединяется с наружной частью нуклеосомы и удерживает на ней суперспираль дезоксирибонуклеиновой кислоты. Его фиксация происходит в месте расположения тетрамера, состоящего из двух молекул пептида Н3 и двух молекул Н4. У представителей класса птиц и класса рептилий в эритроцитах вместо гистона Н1 обнаружен другой линкерный белок Н5.

Пептид Н1 содержит HMJB-домен — структурный участок, насчитывающий около 80 аминокислотных остатков. Он практически одинаков у большинства организмов, включая растения, животных и человека. Этот домен не подвергается модификации и является консервативным.

Пептид Н1 имеет две формы пространственной конфигурации: свернутой в виде глобулы и развернутый – в третичной форме. Последнее возникает при нарушении связи С-концевого участка гистона с ДНК-связывающими доменами.

Линкерный пептид активно участвует в переписывании информации с гена на молекулу иРНК, в процессах самоудвоения ДНК, а также в репарации её поврежденных локусов. В этом и заключается биологическая роль гистонов в ДНК.

Как белки формируют октамер

В отличии от пептида Н1, другие виды гистонов, называемые коровыми, характеризуются достаточной пластичностью и образуют вариантные формы. Например, Н2А имеет самое большое количество модификаций: H2AZH2AX MACROH2A. Они различаются между собой:

  • С-концевыми последовательностями аминокислотный остатков.
  • Местом нахождения в геноме.

Например, вариантный гистон H2ABbd взаимосвязан с хроматином, в ДНК которого происходит транскрипция. Пептид MACROH2A находится в интерфазных хромосомах.

Цитологическими исследованиями было установлено, что у гистона Н4 не выявлены вариантные формы, но он способен образовывать большое количество ковалентных связей с другими белками, входящими в октамер нуклеосомы.

Таким образом, ученые считают, что гистоны – это группа специальных белков, которые практически входят в хроматин всех клеточных форм жизни.

Как хранится информация о гистонах в геноме

Можно утверждать, что коровые, линкерные и вариантные гистоны закодированы в кластерах генов, экспрессирующихся в синтетической фазе жизненного цикла клетки. Например, для человека группа наследственных задатков, называемая HIST1 состоит из 35 генов, локализованных в шестой соматической паре хромосом.

Кластер HIST2 содержит шесть генов, кодирующих гистоны и располагается в первой хромосомной паре. В ней же содержится локус HIST3, включающий три гена. В двенадцатой паре находится один ген, кодирующий гистон Н4.

Интересно, что гены коровых белков не имеют интронов, а гены вариантных гистонов, наоборот, содержат их и разбросаны по геному.

Подводя итог, мы убедились, что гистоны – это белки, участвующие в укладке спирали ДНК в ядре, а также в процессах регуляции, репарации и транскрипции, протекающих в нем.

Гистоны

ГИСТОНЫ
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

СуперсемействоСемействоПодсемействоГены
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) H2A1, H2A2, H2A3, 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 над 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.

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. 123Карпов 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. 12Разин 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. 1234Коряков 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 (November 2002).

    “The human and mouse replication-dependent histone genes” (PDF). Genomics. 80 (5): 487—98. PMID 12408966. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-05. Проверено 2013-07-14.

  9. ↑ Marzluff WF, Wagner EJ, Duronio RJ (November 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.

  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.

Ссылки[ | ]

Cell Biology.ru

ГИСТОНЫ

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

гистон аминокислот N-плечо C-плечо
H3 135 41 25
H4 102 32
H2A 129 24 16
H2B 125 30 23
H1

Выделяют 5 фракций гистонов

Фракция Лизин Аргинин лиз./арг осн.АК/кис.АК Мол. вес (Да)
Н1 (очень богатая лизином) 29% 1% >20 5.4 23000
Н2В (умеренно богатая лиз) 16% 6% ~2.5 1.7 13774
Н2А (умеренно богатая лиз и арг) 11% 9% ~1 1.4 13960
Н4 (богатая арг и гли) 11% 14% ~0.8 2.5 11282
Н3 (очень богатая арг); есть цис, а в других – нет 10% 13% ~0.7 1.8 15348

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)

вид группа гистоновых генов кластер, тпн число копий
Дрожжи Sc ←H2A→H2B ←H3→H4 6 и 13 2 2
Dm ←H3→H4←H2A→H2B←H1 5 100
Морской еж S.purpuratus →H1→H4→H2B→H3→H2A рассеянные, нек образ пары 6-7 500 ранние 10 поздние
Тритон N.viridescens ←H4←H2A→H2B←H3←H1 9 700
Xenopus H3-H4-H2A-H2B-H1B-H3-H4 →H3→H4←H2A→H2B 16 6 25
Курица ←H3→H2A←H4-H1←H2A→H2B H2A-H4-H2A-H2B H3-H4H5 (вместо Н1 в эритроцитах) 14 >10>10 10 1
Человек H3-H4-H4-H3-H2A-H2B H4-H3-H1-H2B-H2A→H2A→H2B←H4 20 156 10-20 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

гистон Hs, Mm Dm Sc
H2A H2AX H2A1 H2A.Z H2ABbdmacroH2A H2AvH2Av Htz1
H2B
H3 H3.3 Cid
H4
H1 H1.1 H1.2 H1.3 H1.4 H1.5 H10 H1tH1oo Hho1p

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.

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.

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.

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

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: 

Варианты белков гистонов

Кроме пяти «канонических» гистонов, существуют также минорные формы, является видоизменениями первых. Таких вариантов было больше выявлено для гистонов H2A и H3.

Гены этих белков экспрессируются в течение всего клеточного цикла, и встраиваются в хроматин независимо от процесса репликации. Для этого нужны специальные гистоновые шапероны и комплексы ремоделирования хроматина.

Варианты гистонов могут замещать блики недостающие в нуклеосомами, или встраиваться в специфические участки генома. Большинство из них, как и канонические формы, является эволюционно консервативными, что указывает на незаменимую роль в жизнедеятельности клеток.

Однако некоторые варианты, например H2A-Bdb-образные гистоны, быстро эволюционируют и выполняют тканино- а также клетки-специфические функции в яичках и мозга.

Примеры некоторых вариантов гистонов

Гистона H2A.Z
Гистона H2A.Z найден во многих эукариот. Ассоциированный в основном из транскрипционно активными участками. Его функции до конца не выяснены, вероятно, что он участвует в установлении и поддержании структуры промотора, благоприятной для присоединения РНК-полимеразы II. Также существуют данные о том, что наличие этого варианта гистонов в нуклеосомами препятствует их взаимодействия друг с другом, таким образом способствуя более открытом состояния хроматина.
Гистона H2A.X
Гистона H2A.X связан с репапрациею и рекомбинацией ДНК. Недостаток этого белка у мышей влечет генетическую нестабильность и мужском бесплодии. Небольшие количества нуклеосом, содержащих H2AX, разбросанные по всему геному; если поблизости такой нуклеосомы происходит двухниточный разрыв ДНК, H2AX фосфорилируется по остатку Ser 139, который расположен в SQ-мотиве на C-конце. Последнее событие необходима для сбора аппарата репарации в этом месте
Гистона MacroH2A
Гистона MacroH2A является вариантом H2A, что является специфическим только для позвоночных животных. Месит большой «макродомен» на C-конце. Участвует в инактивации X-хромосомы в гомогаметным пола.
Гистона H2A.Bdb
Гистона H2A.Bdb — вариант, имеющийся только у человека, експресуюеться в яичках и головном мозге. Функции H2A.Bdb не выяснены.
Гистона H2A.Lap1
Гистона H2A.Lap1 — это мышиная изоформа H2A.Bdb, экспрессируется в тех же органах. Известна роль этого варианта в пространственной и временной активации генов, специфичных для ткани яичек.
Гистона H3.3
Гистона H3.3 — вариант гистона H3 и замещает его в транскрипционно активных участках.
Гистона CenH3
Гистона CenH3 — вариант гистона H3, имеющийся в участках центромер. CenH3 — общее название, обозначающее белки Cse4 у дрожжей, CENPA у людей и мышей, Cid у дрозофилы и тому подобное. Этот гистона необходим для сбора кинетохор, к которым крепятся нити веретена деления.

Гены гистонов

Гены коровых гистонов, формирующих стандартную нуклеосому — H2A, H2B, H3 и H4 — вместе с линкерных гистонов H1 размещаются в эукариот в виде кластеров в геноме.

Они экспрессируются в зависимости от стадии клеточного цикла, их транскрипция начинается с наступлением S-фазы, деградация их мРНК возникает в конце S-фазы, поэтому эти пять гистонов еще называют зависимыми от ДНК-репликации (англ.

Replication-dependent histones). В контроле деградации мРНК гистонов важную роль играет уридинування РНК ..

Матричные РНК этих гистонов — единственные мРНК эукариот, у которых не происходит полиаденилирование и нет поли- хвоста. Вместо этого во время процессинга мРНК гистонов формируется шпилька на 3 'конце. Со шпилькой соединяется белок SLBP (англ.

Stem-loop binding protein), который участвует в экспорте мРНК в цитоплазму, где транслируются гистоны, которые затем импортируются обратно в ядра. В мРНК гистонов также отсутствуют интроны, а нетранслируемые последовательности относительно короткие ..

Однако другие гистоновые варианты, как MacroH2A, экспрессируются независимо от цикла клетки и имеют стандартную мРНК.

Модификации белков-гистонов

«Хвосты» гистонов, то есть их N-концевые последовательности, выступающие наружу нуклеосомы, могут быть местами различных посттрансляционным модификаций (ПТМ) — присоединение определенных химических групп, таких как метильная, ацетильных, фосфатный, гликозильна, АДФ-рибозильна, а также белков убиквитина и SUMO.

Эти изменения являются обратимыми, они осуществляются специфическими строго регулируемыми ферментами и имеют сложные биологические последствия, зависят не только от химической группы, присоединяется, но и от ее положения и общего контекста.

Для гистонов были открыты фактические все возможные ПТМ белков, и открытие новых сайтов модификации продолжается, однако биологическое значение не всех этих изменений доказано.

Простые белки немногочисленны

ГИСТОНЫ

Структура простых белков представлена только полипептидной цепью (альбумин, инсулин).

Однако необходимо понимать, что многие простые белки (например, альбумин) не существуют в «чистом» виде, они всегда связаны с какими-либо небелковыми веществами.

Их относят к простым белкам только по той причине, что связи с небелковой группой слабые и при выделении in vitro они оказываются свободным от других молекул — простым белком.

Альбумины 

Альбумины – это группа схожих белков плазмы крови с молекулярной массой 69 кДа, содержат много глутаминовой кислоты и поэтому имеют кислые свойства и высокий отрицательный заряд при физиологических рН. Легко адсорбируют полярные и неполярные молекулы, являются белком-транспортером в крови для многих веществ, в первую очередь для билирубина и длинноцепочечных жирных кислот.

В природе альбумины входят в состав не только плазмы крови (сывороточные альбумины), но и яичного белка (овальбумин), молока (лактальбумин), являются запасными белками семян высших растений.

Глобулины

Группа разнообразных белков плазмы крови с молекулярной массой до 100 кДа, слабокислые или нейтральные.

Они слабо гидратированы, по сравнению с альбуминами меньше устойчивы в растворе и легче осаждаются, что используется в клинической диагностике в «осадочных» пробах (тимоловая, Вельтмана).

Несмотря на то, что их относят к простым, часто содержат углеводные компоненты.

При электрофорезе глобулины сыворотки крови разделяются, как минимум, на 4 фракции – α1-глобулины, α2-глобулины, β-глобулины и γ-глобулины.

Картина электрофореграммы (вверху) белков сыворотки крови
и полученной на ее основе протеинограммы (внизу) 

Так как глобулины включают в себя разнообразные белки, то их функции разнообразны: 

Часть α-глобулинов обладает антипротеазной активностью, что защищает белки крови и межклеточного матрикса от преждевременного разрушения, например, α1-антитрипсин, α1-антихимотрипсин, α2-макроглобулин.

Некоторые глобулины способны к связыванию определенных веществ: трансферрин (переносит ионы железа), церулоплазмин (содержит ионы меди), гаптоглобин (переносчик гемоглобина), гемопексин (транспорт гема).

γ-Глобулины являются антителами и обеспечивают иммунную защиту организма.

Гистоны

Гистоны – внутриядерные белки массой около 24 кДа.

Обладают выраженными основными свойствами, поэтому при физиологических значениях рН заряжены положительно и связываются с дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), образуя дезоксирибо-нуклеопротеины.

Существуют 5 типов гистонов – очень богатый лизином (29%) гистон Н1, другие гистоны Н2а, H2b, НЗ, Н4 богаты лизином и аргинином (в сумме до 25%).

Радикалы аминокислот в составе гистонов могут быть метилированы, ацетилированы или фосфорилированы. Это изменяет суммарный заряд и другие свойства белков.

Можно выделить две функции гистонов:

1. Регуляция активности генома, а именно – они препятствуют транскрипции.

2. Структурная – стабилизируют пространственную структуру ДНК.

Гистоны в комплексе с ДНК образуют нуклеосомы – октаэдрические структуры, составленные из гистонов Н2а, H2b, НЗ, Н4. Гистон H1 связан с молекулой ДНК, не позволяя ей «соскользнуть» с гистонового октамера. ДНК обвивает нуклеосому 2,5 раза после чего обвивает следующую нуклеосому. Благодаря такой укладке достигается уменьшение размеров ДНК в 7 раз.

Далее такие «бусы» нуклеосом могут складываться в суперспираль и в более сложные структуры.

Благодаря гистонам и формированию более сложных структур размеры ДНК, в конечном итоге, уменьшаются в тысячи раз: на самом деле длина ДНК достигает 6-9 см (10–1), а размеры хромосом – всего несколько микрометров (10–6).

Протамины

Это белки массой от 4 кДа до 12 кДа, имеются в ядрах сперматозоидов многих организмов, в сперме рыб они составляют основную массу белка. Протамины являются заменителями гистонов и служат для организации хроматина в спермиях.

По сравнению с гистонами протамины отличаются резко увеличенным содержанием аргинина (до 80%).

Также, в отличие от гистонов, протамины обладают только структурной функцией, регулирующей функции у них нет, хроматин в сперматозоидах неактивен.

Коллаген

Коллаген – фибриллярный белок с уникальной структурой, составляет основу межклеточного вещества соединительной ткани сухожилий, кости, хряща, кожи, но имеется, конечно, и в других тканях.

Полипептидная цепь коллагена включает 1000 аминокислот и носит название α-цепь. Насчитывается около 30 вариантов α-цепи коллагена, но все они обладают одним общим признаком – в большей или меньшей степени включают повторяющийся триплет [Гли-Х-Y], где X и Y – любые, кроме глицина, аминокислоты.

В положении X чаще находится пролин или, гораздо реже, 3-оксипролин, в положении Y встречается пролин и 4-оксипролин. Также в положении Y часто находится аланин, лизин и 5-оксилизин.

На другие аминокислоты приходится около трети от всего количества аминокислот.

Жесткая циклическая структура пролина и оксипролина не позволяет образовать правозакрученную α-спираль, но образует т.н. «пролиновый излом». Благодаря такому излому формируется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка. 

При синтезе коллагена первостепенное значение имеет гидроксилирование лизина и пролина, включенных в состав первичной цепи, осуществляемое при участии аскорбиновой кислоты. Также коллаген обычно содержит моносахаридные (галактоза) и дисахаридные (глюкоза-галактоза) молекулы, связанные с ОН-группами некоторых остатков оксилизина.

Этапы синтеза молекулы коллагена

Синтезированная молекула коллагена построена из 3 полипептидных цепей, сплетенных между собой в плотный жгут – тропоколлаген (длина 300 нм, диаметр 1,6 нм).

Полипептидные цепи прочно связаны между собой через ε-аминогруппы остатков лизина. Тропоколлаген формирует крупные коллагеновые фибриллы диаметром 10-300 нм.

Поперечная исчерченность фибриллы обусловлена смещением молекул тропоколлагена друг относительно друга на 1/4 их длины.

Фибриллы коллагена очень прочны, они прочнее стальной проволоки равного сечения. В коже фибриллы образуют нерегулярно сплетенную и очень густую сеть. Например, выделанная кожа представляет собой почти чистый коллаген.

Гидроксилирование пролина осуществляет железо-содержащий фермент пролилгидроксилаза для которого необходим витамин С (аскорбиновая кислота).

Аскорбиновая кислота предохраняет от инактивации пролилгидроксилазу, поддерживая восстановленное состояние атома железа в ферменте.

Коллаген, синтезированный в отсутствии аскорбиновой кислоты, оказывается недостаточно гидроксилированным и не может образовывать нормальные по структуре волокна, что приводит к поражению кожи и ломкости сосудов, и проявляется как цинга.

Гидроксилирование лизина осуществляет фермент лизилгидроксилаза. Она чувствительна к влиянию гомогентизиновой кислоты (метаболит тирозина), при накоплении которой (заболевания алкаптонурия) нарушается синтез коллагена, и развиваются артрозы.

Время полужизни коллагена исчисляется неделями и месяцами. Ключевую роль в его обмене играет коллагеназа, расщепляющая тропоколлаген на 1/4 расстояния с С-конца между глицином и лейцином.

По мере старения организма в тропоколлагене образуется все большее число поперечных связей, что делает фибриллы коллагена в соединительной ткани более жесткими и хрупкими. Это ведет к повышенной ломкости кости и снижению прозрачности роговицы глаза в старческом возрасте.

В результате распада коллагена образуется гидроксипролин. При поражении соединительной ткани (болезнь Пейджета, гиперпаратиреоидизм) экскреция гидроксипролина возрастает и имеет диагностическое значение.

Эластин

По строению в общих чертах эластин схож с коллагеном. Находится в связках, эластичном слое сосудов. Структурной единицей является тропоэластин с молекулярной массой 72 кДа и длиной 800 аминокислотных остатков. В нем гораздо больше лизина, валина, аланина и меньше гидроксипролина. Отсутствие пролина обусловливает наличие спиральных эластичных участков.

Характерной особенностью эластина является наличие своеобразной структуры – десмозина, который своими 4-мя группами объединяет белковые цепи в системы, способные растягиваться во всех направлениях.

α-Аминогруппы и α-карбоксильные группы десмозина включаются в пептидные связи одной или нескольких белковых цепей.

Роль десмозина в соединении белков

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть