Войти
Основные единицы структуры хроматина A октамер гистона представляет собой комплекс из восьми белков, обнаруженный в центре ядерной частицы нуклеосомы. Он состоит из двух копий каждого из четырех ядерных белков гистонов (H2A, H2B, H3 и H4 ). Октамер собирается, когда тетрамер, содержащий две копии как H3, так и H4, образует комплекс с двумя димерами H2A / H2B. Каждый гистон имеет как N-концевой хвост, так и C-концевую гистоновую складку. Оба этих ключевых компонента взаимодействуют с ДНК по-своему посредством серии слабых взаимодействий, включая водородные связи и солевые мостики. Эти взаимодействия удерживают ДНК и октамер гистонов слабо связанными и в конечном итоге позволяют им изменить положение или полностью разделиться.
Гистон посттрансляционные модификации были впервые идентифицированы и перечислены как имеющие потенциальную регуляторную роль в синтезе РНК в 1964 году. С тех пор, в течение нескольких десятилетий, хроматин теория развивалась. Модели субъединиц хроматина, а также понятие нуклеосомы были созданы в 1973 и 1974 годах, соответственно. Ричмонд и его исследовательская группа смогли выяснить кристаллическую структуру гистонового октамера с ДНК, обернутой вокруг него, с разрешением 7 Å в 1984 году. Структура октамерного основного комплекса была пересмотрена семь лет спустя и разрешение 3,1 Å. было выяснено для его кристалла при высокой концентрации соли. Хотя сходство последовательностей между стержневыми гистонами низкое, каждый из четырех имеет повторяющийся элемент, состоящий из спирали-петли-спирали, называемый мотивом гистоновой складки. Более того, детали взаимодействий белок-белок и белок-ДНК были уточнены с помощью рентгеновских кристаллографических исследований при 2,8 и 1,9 Å соответственно в 2000-х годах.
.
Core гистоны представляют собой четыре белка, называемые H2A, H2B, H3 и H4, и все они находятся в равных частях в клетке. Все четыре последовательности ядра гистона аминокислот содержат от 20 до 24% от лизина и аргинина, а размер или протеин колеблется от 11400 до 15400 Дальтон, что делает их относительно небольшими, но высоко заряженными белками. Высокое содержание положительно заряженных аминокислот позволяет им тесно связываться с отрицательно заряженной ДНК. Гетеродимеры или гистоновые промежуточные соединения образуются из гистоновых складчатых доменов. Образование промежуточных продуктов только для гистонов происходит, когда коровые гистоны спариваются в квазисимметричный гетеродимер в виде сблокированной серповидной формы. Каждый гистоновый складчатый домен состоит из 3 α-спиральных областей, разделенных неупорядоченными петлями. Гистоновый складчатый домен отвечает за образование гетеродимеров «голова к хвосту» двух гистонов: H2A-H2B и H3-H4. Однако гистоны H3 и H4 сначала образуют гетеродимер, а затем, в свою очередь, гетеродимер димеризуется с образованием тетрамера H3 2 -H4 2. Образование гетеродимера основано на взаимодействии взаимодействий гидрофобных аминокислотных остатков между двумя белками.
Квазисимметрия позволяет наложить гетеродимер на себя посредством поворота на 180 градусов вокруг этой оси симметрии. В результате вращения два конца гистонов, участвующих в связывании ДНК серповидной формы H3-H4, эквивалентны, но при этом организуют разные участки ДНК. Димер H2A-H2B также сворачивается аналогично. Тетрамер H3 2 -H4 2 обернут вокруг него ДНК в качестве первой стадии образования нуклеосом. Затем два димера H2A-H2B соединяются с комплексом ДНК-H3 2 -H4 2 с образованием нуклеосомы.
Кроме того, каждый из четырех основных гистонов к их гистоновым доменам, также содержат гибкие неструктурированные расширения, называемые гистоновыми «хвостами». Обработка нуклеосом протеазой трипсином показывает, что после удаления гистоновых хвостов ДНК может оставаться прочно связанной с нуклеосомой. Гистоновые хвосты подвергаются широкому спектру модификаций, включая фосфорилирование, ацетилирование и метилирование остатков серина, лизина и аргинина.
Нуклеосома собирается, когда ДНК оборачивается вокруг октамера гистона, двух димеров H2A-H2B, связанных с тетрамером H3-H4. Частица ядра нуклеосомы является основной формой уплотнения ДНК в эукариоты. Нуклеосомы состоят из октамера гистонов, окруженного 146 парами оснований ДНК, обернутых сверхспиральным образом. Помимо уплотнения ДНК, октамер гистонов играет ключевую роль в транскрипции окружающей его ДНК. Гистоновый октамер взаимодействует с ДНК как через гистоновые складки ядра, так и через N-концевые хвосты. Гистоновая складка химически и физически взаимодействует с малой бороздкой ДНК. Исследования показали, что гистоны более благоприятно взаимодействуют с областями, обогащенными A :T, чем областями, обогащенными G :C, в малых бороздках. N-концевые хвосты не взаимодействуют с конкретным участком ДНК, а скорее стабилизируют и направляют ДНК, обернутую вокруг октамера. Однако взаимодействия между октамером гистонов и ДНК не постоянны. Их можно довольно легко разделить, и часто они происходят во время репликации и транскрипции. Специфические ремоделирующие белки постоянно изменяют структуру хроматина, разрывая связи между ДНК и нуклеосомой.
Гистоны состоят в основном из положительно заряженных аминокислотных остатков, таких как лизин и аргинин. Положительные заряды позволяют им тесно связываться с отрицательно заряженной ДНК посредством электростатических взаимодействий. Нейтрализация зарядов в ДНК позволяет ей стать более плотно упакованной.
Взаимодействие гистоновых складчатых доменов с малой бороздкой составляет большую часть взаимодействий в нуклеосома. Поскольку ДНК оборачивается вокруг октамера гистонов, она открывает свою малую бороздку октамеру гистонов в 14 различных местах. На этих участках они взаимодействуют посредством серии слабых нековалентных связей. Основным источником связей являются водородные связи, как прямые, так и опосредованные водой. Гистоновые водородные связи как с фосфодиэфирным остовом, так и с основаниями, богатыми A: T. В этих взаимодействиях гистоновая складка связывается с атомами кислорода и боковыми цепями гидроксила соответственно. Вместе эти сайты имеют в общей сложности около 40 водородных связей, большинство из которых связаны с взаимодействиями основной цепи. Кроме того, в 10 из 14 случаев, когда малая бороздка обращена к гистоновой складке, боковая цепь аргинина из гистоновой складки вставляется в малую бороздку. В других четырех случаях аргинин происходит из хвостовой части гистона.
Как упоминалось выше, хвосты гистона, как было показано, напрямую взаимодействуют с ДНК нуклеосомы.. Каждый гистон в октамере имеет N-концевой хвост, который выступает из ядра гистона. Хвосты играют роль как во внутринуклеосомных, так и в межнуклеосомных взаимодействиях, которые в конечном итоге влияют на доступ к генам. Гистоны - это положительно заряженные молекулы, которые позволяют более прочно связываться с отрицательно заряженной молекулой ДНК. Уменьшение положительного заряда гистоновых белков снижает силу связывания гистона с ДНК, делая его более открытым для транскрипции (экспрессии) генов. Более того, эти гибкие звенья направляют левостороннее обертывание ДНК вокруг октамера гистонов во время образования нуклеосом. Как только ДНК связана, хвосты продолжают взаимодействовать с ДНК. Части хвоста, наиболее близкие к водородной связи ДНК и усиливающие связь ДНК с октамером; однако части хвоста, наиболее удаленные от ДНК, работают совершенно по-другому. Клеточные ферменты модифицируют аминокислоты в дистальных отделах хвоста, чтобы влиять на доступность ДНК. Хвосты также участвовали в стабилизации 30-нм волокон. Исследования показали, что удаление определенных хвостов препятствует правильному формированию нуклеосом и общей неспособности производить хроматиновые волокна. В целом, эти ассоциации защищают нуклеосомную ДНК от внешней среды, но также снижают их доступность для клеточной репликации и транскрипционного аппарата.
Чтобы получить доступ к нуклеосомной ДНК, связи между ней и октамером гистонов должны быть разорваны. Это изменение происходит периодически в клетке по мере того, как транскрибируются определенные области, и это происходит во всем геноме во время репликации. Ремоделирующие белки работают тремя разными способами: они могут скользить ДНК по поверхности октамера, заменять один димер гистона вариантом или полностью удалять октамер гистона. Независимо от метода, для модификации нуклеосом ремоделирующим комплексам требуется энергия гидролиза АТФ, чтобы управлять своими действиями.
Из трех техник скольжение является наиболее распространенным и наименее экстремальным. Основная предпосылка метода состоит в том, чтобы освободить область ДНК, которую октамер гистонов обычно прочно связывает. Хотя методика не очень хорошо определена, наиболее распространенная гипотеза состоит в том, что скольжение выполняется по принципу «дюймового червя». В этом методе, используя АТФ в качестве источника энергии, транслоказный домен нуклеосом-ремоделирующего комплекса отделяет небольшую область ДНК от гистонового октамера. Эта «волна» ДНК, спонтанно разрывая и воссоздавая водородные связи по мере продвижения, затем распространяется вниз по нуклеосомной ДНК, пока не достигнет последнего сайта связывания с октамером гистонов. Как только волна достигает конца октамера гистонов, избыток, который когда-то был на краю, распространяется в область линкерной ДНК. В целом, один цикл этого метода перемещает октамер гистонов на несколько пар оснований в определенном направлении - от направления распространения «волны».
Многочисленные отчеты показывают связь между возрастные заболевания, врожденные дефекты и несколько типов рака с нарушением определенных посттрансляционных модификаций гистонов. Исследования показали, что N- и C-концевые хвосты являются основными мишенями для ацетилирования, метилирования, убиквитинирования и фосфорилирования. Новые данные указывают на несколько модификаций гистонового ядра. Исследования направлены на расшифровку роли этих модификаций гистонового ядра на границе раздела гистон-ДНК в хроматине. p300 и белок, связывающий элемент ответа цАМФ (CBP ), обладают гистоновой ацетилтрансферазной активностью. p300 и CBP являются наиболее беспорядочными ферментами гистонацетилтрансферазы, ацетилирующими все четыре ядерных гистона по множественным остаткам. Лизин 18 и лизин 27 на H3 были единственными сайтами ацетилирования гистонов, сниженными при истощении CBP и p300 в эмбриональных фибробластах мыши. Кроме того, мыши с нокаутом CBP и p300 имеют открытый дефект нервной трубки и поэтому умирают до рождения. p300 - / - эмбрионы обнаруживают дефекты развития сердца. У мышей CBP +/- наблюдается задержка роста, черепно-лицевые аномалии, гематологические злокачественные новообразования, которые не наблюдаются у мышей с p300 +/-. Сообщалось о мутациях обоих p300 в опухолях человека, таких как колоректальная карцинома, карцинома желудка, груди, яичников, легких и поджелудочной железы. Кроме того, активация или локализация двух гистоновых ацетилтрансфераз может быть онкогенной.
