Histonele (din grecescul ἱστός „țesut”) sunt o clasă extinsă de proteine nucleare care îndeplinesc două funcții principale: participarea la împachetarea catenelor de ADN în nucleu și reglarea epigenetică a unor astfel de procese nucleare precum transcripția , replicarea și repararea .
În cromatină , histonele reprezintă 25-40% din greutatea uscată [1] . Datorită conținutului ridicat de lizină și arginină , histonele prezintă proprietăți puternic de bază. Histonele sunt în contact direct cu ADN-ul și sunt capabile să neutralizeze sarcina negativă a grupărilor ADN fosfat datorită sarcinilor pozitive ale reziduurilor de aminoacizi. Secvența de aminoacizi din aceste proteine este conservatoare și practic nu diferă în organisme de diferiți taxoni . Histonele sunt prezente în nucleele celulelor eucariote ; bacteriile nu au histone, dar se găsesc în arheile din grupul Euryarchaea [2] .
Histonesle au fost descoperite în 1884 de biochimistul german Albrecht Kossel [3] .
Există doar cinci tipuri diferite de histone H1/H5, H2A, H2B, H3, H4.
Histonele H2A, H2B, H3, H4, numite histone de bază (din engleză core „core; core”), formează un nucleozom , care este un globul proteic în jurul căruia este înfășurată o catenă de ADN. Subunitatea centrală a tuturor histonelor de bază are aceeași structură secundară cu un domeniu α-helix extins, care este flancat pe ambele părți de domenii care conțin o buclă și un α-helix scurt. Această subunitate se numește „plia histonică” [4] .
Toate cele patru tipuri de histone de bază au același „pliu histonic”, în timp ce identitatea secvenței dintre ele este destul de scăzută [5] (conform unor estimări, nu depășește 25%).
Histona H1/H5, numită histonă linker , se leagă de exteriorul nucleozomului, ancorând lanțul de ADN pe acesta. Secțiunea de ADN care o urmează se numește ADN linker (aproximativ 100 de perechi de baze). Histona H1 este cea mai mare dintre toate histonele. Diferă de histonele de bază și influențează în continuare ambalarea cromatinei [4] .
Nucleozomii și histonele linker au o serie de funcții care determină dinamica cromatinei. De exemplu, histona H1 este un fixator al catenei de ADN pe nucleozom și astfel controlează accesibilitatea cromatinei [6] . La rândul lor, histonele de bază pot modifica compoziția internă și, prin urmare, pot afecta accesibilitatea cromatinei la anumite regiuni ADN. În plus, proteinele nucleozomale suferă o serie de modificări post-translaționale în timpul vieții celulare, inclusiv acetilare, metilare, fosforilare și ubiquitilare, care pot modifica proprietățile și pot afecta interacțiunea nucleozomului cu diferite proteine.
Nucleozomul este de aproximativ 147 de perechi de baze (bp) de ADN, care este înfășurat în jurul unui octamer (~1,67 spire ale helixului) alcătuit din perechi de proteine numite histone de bază. Diametrul său este de 7 nm. Lungimea unui fragment de ADN „înglobând” un nucleozom variază, având o medie de 200 bp. În același timp, 146 bp sunt conectați direct la nucleozom, iar câteva zeci rămase conectează doi nucleozomi vecini [7] . Histona linker H1 interacționează cu regiunea linker a ADN-ului fără a contacta octamerul histonei.
Contactul dintre histonele nucleozomului și ADN este destul de puternic. În fiecare nucleozom, se formează 142 de legături de hidrogen între ADN și histonele care îl compun . Aproape jumătate din aceste legături apar între lanțul principal de aminoacizi ai histonelor și grupările fosfodiester din coloana vertebrală zahăr-fosfat a ADN-ului. Pe lângă legăturile de hidrogen dintre ADN și proteine, nucleozomii țin împreună numeroase interacțiuni hidrofobe și punți de sare. De exemplu, sarcinile pozitive ale aminoacizilor lizină și arginina , cu care histonele sunt îmbogățite, pot neutraliza în mod eficient sarcina negativă a coloanei vertebrale ADN. Aceste interacțiuni multiple explică parțial de ce aproape orice secvență de ADN poate fi legată de un octamer nucleozomal [8] .
Histonele de vacă H2A, H2B, H3 și H4 sunt proteine mici cu greutăți moleculare de 10–15 kDa , a căror compoziție este extrem de îmbogățită în aminoacizi încărcați pozitiv lizină și arginină [9] . Aminoacizii încărcați pozitiv sunt concentrați în principal în părțile terminale amină (N-) și carboxil (C-) (vezi Legătura peptidică ) ale moleculelor de histone de bază numite cozi. Cozile de histonă, lungi de aproximativ 15-30 de reziduuri de aminoacizi, nu sunt organizate în nicio structură secundară pronunțată. Cozile histonelor, în primul rând coada N, joacă un rol cheie în mecanismele epigenetice în care sunt implicate aceste proteine. Reziduurile hidrofobe de aminoacizi predomină în regiunile centrale, cele mai conservate, ale lanțului polipeptidic al histonei de bază. Aceste regiuni centrale sunt implicate în formarea octamerului nucleozomal, pe care se înfășoară ADN-ul [3] . Regiunea centrală a tuturor histonelor nucleozomale are o structură secundară caracteristică cu un domeniu α-helix extins, care este flancat pe ambele părți de domenii care conțin o buclă și un α-helix scurt. Această structură spațială este numită fold histonă ( în engleză histone fold domain , HFD) [10] . Astfel, histonele nucleozomale conțin un domeniu HFD cu trei catene structurat central și cozi N și C nestructurate.
Histonele H3 și H4, H2A și H2B se recunosc reciproc în perechi. Domeniile elicoidale interacționează între ele, formând structuri numite strângere de mână, rezultând heterodimeri - H3-H4 și H2A-H2B. Din primul dimer, la rândul său, se formează un tetramer (Н3-Н4) 2 . Tetramerul (H3-H4) 2 și doi dimeri H2A-H2B constituie octamerul histonelor, nucleul nucleozomului [3] . Nucleozomul este în formă de pană. Partea sa îngustă este (H3-H4) 2 , iar partea largă este formată din doi dimeri H2A-H2B, care sunt localizați pe părțile laterale ale tetramerului (H3-H4) 2 și nu interacționează unul cu celălalt. Din tot ADN-ul înfășurat în jurul octamerului nucleozomal, aproximativ 80 de perechi de baze sunt asociate cu tetramerul (H3-H4) 2 și aproximativ 40 de perechi de baze cu dimerii H2A-H2B [10] .
Histona linker H1 se leagă de partea exterioară a nucleozomului în regiunea tetramerului (H3-H4) 2 , fixând astfel catena de ADN pe nucleozom. În eritrocitele păsărilor și reptilelor aflate în cromatina inactivă, în locul histonei H1, există o histonă H5 strâns înrudită [10] . Histona H1/H5 diferă semnificativ de cele patru histone de bază. Are o greutate moleculară de peste 20 kDa. Conține semnificativ mai multe reziduuri de lizină decât arginina și toate resturile de aminoacizi încărcate pozitiv sunt concentrate la capătul C-terminal al moleculei H1. Capătul C-terminal al moleculei H1 este caracterizat printr-o structură dezordonată și are o lungime de aproximativ 100 de resturi de aminoacizi. Partea centrală a moleculei H1 este bogată în resturi de aminoacizi hidrofobe și formează un globul în soluție. Capătul N-terminal nu are o structură ordonată și este relativ scurt [9] .
Unul dintre factorii importanți care reglează funcționarea celulelor eucariote la nivel de nucleozom este înlocuirea histonelor cu variantele lor . Există două tipuri de histone: variante canonice și histone.
Toate histonele, cu excepția histonei H4, au variante diferite care îi corespund. Histonele canonice (H2A, H2B, H3, H4, H1/H5) sunt de obicei dependente de replicare [4] . Ele sunt exprimate în special în faza S a ciclului celular. În timp ce variantele histonelor (H2A.Z, H2A.B, ..., H2B.W, H2B.Z, ..., H3.3, H3.Y, H3.5, ..., H1.0, H1. 10) sunt independente de replicare și sunt exprimate pe toată durata de viață a celulei. Atât histonele canonice, cât și variantele lor pot avea propriile caracteristici distinctive în funcție de tipul de organism. Deși, există și histone universale [11] .
Rolul variantelor de histonă este de a păstra plierea cromatinei nucleozomale, de a crește sau de a micșora stabilitatea acesteia, de a crea un context special în fiecare regiune specifică a cromatinei și de a controla astfel procesele de transcripție, replicare și reparare [10] . Fiecare variantă de histonă are o secvență caracteristică și trăsături structurale care explică funcția sa specifică [4] . Mai mult, în timp ce unele variante pot diferi doar prin câteva resturi de aminoacizi, altele pot avea o asemănare mai mică. De exemplu, H2B și H2B.E diferă doar prin patru sau cinci resturi de aminoacizi, în timp ce cele două subvariante ale H2A.Z (H2A.Z.1 și H2A.Z.2) la vertebrate diferă doar cu trei. O situație similară se observă între varianta de histonă H2A.X și forma sa canonică. Diferă de H2A prin motivul de fosforilare Ser-Gln-(Glu/Asp)-P C-terminal important din punct de vedere funcțional, unde P este un reziduu hidrofob. Fosforilarea serinei specifică opțiunii în acest motiv poate apărea în timpul formării rupurilor duble catene ale ADN-ului și poate fi importantă pentru recrutarea și reținerea diferiților factori de remodelare a cromatinei pentru a promova repararea rupurilor dublu-catenar. Un exemplu de pereche de variante de identitate inferioară este H2A.L, care are doar 24% identitate de secvență cu H2A canonic [11] .
Se știe că modificările asupra variantelor de histonă se dovedesc adesea a fi aceleași ca și în formele lor canonice. De exemplu, Lys4 din H3.3 este adesea trimetilat (H3.3K4me3), în timp ce Lys18 și Lys23 sunt adesea acetilate (H3.3K18ac și, respectiv, H3.3K23ac) [12] .
Genele histonelor clasice sunt prezente în genom în mai multe copii și sunt asamblate în grupuri repetate în tandem. Organizarea grupării genelor histonelor canonice este caracteristică tuturor organismelor multicelulare . La om, cel mai mare grup de aceste gene, numit HIST1 și format din 55 de gene, este situat pe cromozomul 6 în regiunea 6p21-p22. Două grupuri mai mici sunt localizate pe cromozomul 1 : banda 1q21 conține clusterul HIST2 care conține 6 gene histone, iar banda 1q42 conține clusterul HIST3 format din trei gene. În afara celor trei grupuri descrise mai sus, pe cromozomul 12 , în banda 12p13.1, există singura genă care codifică histonea de miez canonică, gena HIST4H4 care codifică histona H4 [13] .
O trăsătură caracteristică a genelor histonelor canonice este absența intronilor . Transcrierea acestor gene are loc strict în timpul fazei S a ciclului celular . ARN-ul mesager al acestor gene nu este poliadenilat; partea 3’-necodificatoare a ARNm este pliată într-o structură secundară cu buclă stem [14] .
Spre deosebire de genele histonelor canonice, genele histonelor variante nu formează clustere, ele sunt împrăștiate în întregul genom, conțin adesea introni, ARN-ul transcris din ele poliadenat, iar transcripția are loc pe parcursul întregului ciclu celular.
| superfamilie | Familie | Subfamilie | Genele |
|---|---|---|---|
| Histonă linker | |||
| Histonă H1 | |||
| Histonele variantei H1 (subfamilia H1F) | H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX, HILS1 | ||
| Genele histonelor canonice H1 în clusterul HIST1 (H1H1) | HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T | ||
| Miezul histonelor | |||
| Histonă H2A | |||
| Varianta histonelor H2A (H2AF) | H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ | ||
| Genele H2A de histonă canonică în clusterul HIST1 (H2A1). | HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM | ||
| Genele H2A de histonă canonică în clusterul HIST2 (H2A2) | HIST2H2AA3, HIST2H2AC | ||
| Histonă H2B | |||
| Varianta histonelor H2B (H2BF) | H2BFM, H2BFS, H2BFWT | ||
| Genele H2B de histonă canonică în clusterul HIST1 (H2B1). | HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H2HBN, HIST1H2HBN, HIST1H2BN | ||
| Gena H2A a histonei canonice în clusterul HIST2 (H2B2) | HIST2H2BE | ||
| Histonă H3 | |||
| Genele histonelor canonice H3 în clusterul HIST1 (H3A1). | HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J | ||
| Genele histonelor canonice H3 în clusterul HIST2 (H3A2) | HIST2H3C | ||
| Genele histonelor canonice H3 în clusterul HIST3 (H3A3) | HIST3H3 | ||
| Histonă H4 | |||
| Genele histonelor canonice H4 în clusterul HIST1 (H41). | HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L | ||
| Gena H4 histonă canonică în afara clusterelor | HIST4H4 |
Histonele din octamer au un fragment mobil N-terminal ("coada") de 20 de aminoacizi, care iese din nucleozomi și este important pentru menținerea structurii cromatinei și controlul expresiei genelor. De exemplu, unele modificări ale histonelor ( fosforilarea și acetilarea ) sunt cunoscute a fi localizate predominant în regiunile cromatinei cu gene active [15] [16] , în timp ce deacetilarea [17] și metilarea lor de către complexul represor polycomb joacă un rol important în menținerea pluripotenței . și diferențierea [18] .
Detaliile mecanismului de reglare nu au fost pe deplin elucidate [19] [20] [21] .
Secvența de aminoacizi a histonelor, adică structura lor primară, sa schimbat puțin în cursul evoluției. Acest lucru se vede clar când se compară secvența de aminoacizi a histonelor de mamifere, plante și drojdie. Astfel, H4 uman și de grâu diferă doar în câțiva aminoacizi. În plus, dimensiunea moleculei de proteină și polaritatea acesteia sunt destul de constante. Din aceasta putem concluziona că histonele au fost optimizate în epoca predecesorului comun al animalelor, plantelor și ciupercilor (cu peste 700 de milioane de ani în urmă). Deși de atunci au apărut nenumărate mutații punctuale în genele histonelor, toate se pare că au dus la dispariția organismelor mutante.
| Cromozomii | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Principal | |||||||||||
| Clasificare | |||||||||||
| Structura |
| ||||||||||
| Restructurari si incalcari | |||||||||||
Determinarea sexului cromozomal | |||||||||||
| Metode | |||||||||||