Гістони

Властивості основних класів гістонів

Гістон	Молекулярна маса	Кількість амінокислотних залишків	Вміст основних амінокислот (% від загальної кількості амінокислот)
			Лізин	Аргінін
H1*	21 130	223	29,5	11,3
H2A*	13 960	129	10,9	19,3
H2B*	13 774	125	16,0	16,4
H3	15 273	135	19,6	13,3
H4	11 236	102	10,8	13,7
*Розміри дещо різні в залежності від виду, дані наведені для бичачих білків

Гісто́ни — основний клас білків, необхідних для упакування молекул ДНК у хроматин. Гістони мають невелику молекулярну масу (від 11 до 21 кДа) і дуже багаті на основні амінокислоти (аргінін і лізин), завдяки чому взаємодія між гістонами і ДНК стабілізується іонними зв'язками. Для всіх гістонів характерна наявність спільного структурного мотиву, представленого трьома α-спіралями, об'єднаними двома петлями. У більшості клітин маса гістонів приблизно рівна масі ДНК, а їх кількість сягає близько 60 млн. В еукаріотів гістони локалізуються в клітинному ядрі, в архей типу Euarchaeota — у цитоплазмі. У компактизації ДНК решти архей і бактерій можуть брати гістоноподібні білки, проте справжніх гістонів у них немає. Проте у великих ДНК-вмісних вірусів таких як Marseilleviridae^[en] присутні гістони.

Схема утворення нуклеосоми

Білки-гістони були відкриті 1884 року Альбрехтом Косселем у екстрактах ядер еритроцитів птахів. До 40-их років XX століття багато дослідників вважали саме їх носіями спадкової інформації.

У еукаріот існує п'ять різних типів гістонів, а саме H1, H2A, H2B, H3 та H4. Послідовність амінокислот у цих білках мало відрізняється серед еукаріотів різного рівня організації. Найбільш консервативною вона є у гістонів H3 і H4: так гістони H4 корови і гороху відрізняються тільки двома із 102 амінокислотних залишків, а людини і дріжджів — вісьмома, дещо більше різняться між видами еукаріот послідовності гістонів H1, H2A і H2B. Така консервативність їхньої структури свідчить про виняткову важливість для організму, а також про те, що майже кожен амінокислотний залишок у складі цих білки є функціонально важливим. Ця гіпотеза була перевірена на клітинах дріжджів, шляхом заміни нормальних генів гістонів на мутовані. З'ясувалось, що більшість змін в амінокислотній послідовності гістонів є летальною, а та невелика частка мутацій, які не були смертельними, однаково призводили до серйозних порушень експресії генів та інших аномалій.

Гістони не тільки забезпечують упакування ДНК, але й відіграють важливу роль у регуляції експресії генів, перебудові хроматину тощо. Кожен із них може бути субстратом для різноманітних модифікацій: метилювання, ацетилювання, деацетилювання, АДФ-рибозилювання, фосфорилювання, глікозилювання, убіквітинування, сумолювання. Оскільки ці зміни впливають на заряд і форму гістонів, то призводять до зміни структури хроматину. Окрім того існують варіанти деяких гістонів, що відіграють особливу роль у метаболізмі ДНК.

Структура гістонів

Корові гістони, які формують нуклеосому, а саме H2A, H2B, H3, H4, мають в своїй структурі гістоновий мотив^[en]: послідовність амінокислот з трьох a-спіралей — довшої по середині, і двох коротших, з'єднаних петлями L1 та L2. Гістоновий мотив бере участь у димеризації, і присутній не лише у гістонів еукаріот, а і у гістонів деяких архей та гістонів вірусів Marseilleviridae, як і у інших транскрипційних факторів таких як TBP. Проте гістоновий мотив відсутній у гістону H1, який натомість має в своїй структурі мотив "спіраль-поворот-спіраль із крильцем" (winged helix fold): у такого домену спіраль-поворот-спіраль має по бокам бета-складчасту структуру, що формує "крильця".

Варіанти білків гістонів

Окрім п'яти «канонічних» гістонів, існують також мінорні форми, що є видозмінами перших. Таких варіантів було найбільше виявлено для гістонів H2A і H3. Гени цих білків експресуються впродовж всього клітинного циклу, і вбудовуються у хроматин не залежно від процесу реплікації. Для цього потрібні спеціальні гістонові шаперони і комплекси ремоделювання хроматину. Варіанти гістонів можуть заміщувати бліки, яких бракує у нуклеосомах, або вбудовуватись у специфічні ділянки геному. Більшість із них, як і канонічні форми, є еволюційно консервативними, що вказує на незамінну роль у життєдіяльності клітин. Проте деякі варіанти, наприклад H2A-Bdb-подібні гістони, швидко еволюціонують і виконують тканино- і навіть клітино-специфічні функції у яєчках і мозку.

Приклади деяких варіантів гістонів

Гістон H2A.Z

Гістон H2A.Z знайдений у майже всіх евкаріот. Асоційований в основному із транскрипційно активними ділянками. Його функції до кінця не з'ясовані, ймовірно, що він бере участь у встановленні і підтриманні структури промотора, сприятливої для приєднання РНК-полімерази II. Також існують дані про те, що наявність цього варіанту гістона у нуклеосомах перешкоджає їх взаємодії одна з одною, таким чином сприяючи більш відкритому стану хроматину. У людини та у миші є два варіанти гістону H2A.Z: H2A.Z.1 та H2A.Z.2, які відрізняються лише на 3 амінокислотні залишки, проте кодуються двома різними генами

Гістон H2A.X

Гістон H2A.X пов'язаний із репапрацією і рекомбінацією ДНК. Нестача цього білка у мишей має наслідком генетичну нестабільність і чоловічу безплідність. Невеликі кількості нуклеосом, що містять H2AX, розкидані по всьому геному; якщо поблизу такої нуклеосоми стається двонитковий розрив ДНК, H2AX фосфорилюється по залишку Ser^139, що розташований у SQ-мотиві на C-кінці. Остання подія необхідна для збирання апарату репарації у цьому місці

Гістон MacroH2A

Гістон MacroH2A є варіантом H2A, що є специфічним тільки для хребетних тварин. Місить великий «макродомен» на C-кінці. Бере участь в інактивації X-хромосоми у гомогаметної статі.

Гістон H2A.Bdb

Гістон H2A.Bdb — варіант, наявний тільки у людини, експресуюється у яєчках і головному мозку. Функції H2A.Bdb не з'ясовані.

Гістон H2A.Lap1

Гістон H2A.Lap1 — це мишача ізоформа H2A.Bdb, експресується у тих же органах. Відома роль цього варіанту у просторовій і часовій активації генів, специфічних для тканини яєчок.

Гістон H3.3

Гістон H3.3 — варіант гістону H3 і заміщує його в транскрипційно активних ділянках.

Гістон CenH3

Гістон CenH3 — варіант гістону H3, наявний у ділянках центромер. CenH3 — загальна назва, що позначає білки Cse4 у дріжджів, CENPA у людей і мишей, Cid у дрозофіли тощо. Цей гістон необхідний для збирання кінетохорів, до яких кріпляться нитки веретена поділу.

Гістон H1oo

Гістон H1oo — варіант гістону H1, який присутній в ооцитах. Висококонсервативний, проте його роль не докінця з'ясована.

Гени гістонів

Гени корових гістонів, що формують стандартну нуклеосому — H2A, H2B, H3 та H4 — разом з лінкерним гістоном H1 розміщуються в еукаріотів у вигляді кластерів^[en] у геномі. Вони експресуються залежно від стадії клітинного циклу, їх транскрипція починається з настанням S-фази, деградація їх мРНК виникає в кінці S-фази, тому ці п'ять гістонів ще називають залежними від ДНК-реплікації (англ. replication-dependent histones). В контролі деградації мРНК гістонів важливу роль грає урідинування РНК..

Структура мРНК гістонів людини. 5' НТР − 5'-нетрансльована ділянка^[en]; 3' НТР − 3'-нетрансльована ділянка^[en]; зелений прапорець індикує старт відкритої рамки зчитування. Послідовність в 5 нуклеотидів АЦЦЦА притаманна людині та ін. ссавцям, тоді як у плодової мухи ця послідовність ААЦЦА, у C.elegans − АЦААА.

Матричні РНК цих гістонів — єдині мРНК евкаріотів, у яких не відбувається поліаденілування і немає поліА-хвоста. Замість цього під час процесингу мРНК гістонів формується шпилька на 3'-кінці^[en]. Зі шпилькою з'єднується білок SLBP (англ. stem-loop binding protein), який бере участь у експорті мРНК до цитоплазми, де транслюються гістони, які потім імпортуються назад до ядра. У мРНК гістонів також відсутні інтрони, а нетрансльовані послідовності відносно короткі..

Проте інші гістонові варіанти, як то MacroH2A, експресуються незалежно від циклу клітини і мають стандартну мРНК.

Модифікації білків-гістонів

«Хвости» гістонів, тобто їх N-кінцеві послідовності, що виступають назовні нуклеосоми, можуть бути місцями різноманітних посттрансляційних модифікацій (ПТМ) — приєднання певних хімічних груп, таких як метильна, ацетильна, фосфатна, глікозильна, АДФ-рибозильна, а також білків убіквітину і SUMO. Ці зміни є оборотними, вони здійснюються специфічними строго регульованими ферментами і мають складні біологічні наслідки, що залежать не тільки від хімічної групи, яка приєднується, а й від її положення і загального контексту. Для гістонів були відкриті фактичні всі можливі ПТМ білків, і відкриття нових сайтів модифікації триває, проте біологічне значення не всіх цих змін доведене.

Див. також

• Протаміни
• Гістон H1b
• Гістон H2bb
• Марі Мейнард Дейлі

Примітки

1. Nelson D.L., Cox M.M. (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (вид. 5th). W. H. Freeman. с. 963. ISBN 978-0-7167-7108-1. 
2. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). (вид. 5th). Garland Science. с. 211—217. ISBN 978-0-8153-4105-5. Архів оригіналу за 22 липня 2011. Процитовано 12 липня 2013. 
3. Talbert, Paul B.; Meers, Michael P.; Henikoff, Steven (05 2019). . Nature Reviews. Genetics 20 (5). с. 283–297. ISSN 1471-0064. PMID 30886348. doi:10.1038/s41576-019-0105-7. Архів оригіналу за 6 квітня 2019. Процитовано 19 грудня 2019. 
4. Olins D.E., Olins A.L. Chromatin history: our view from the bridge // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2003. — Т. 4, вип. 10 (October). — С. 809—815. — DOI:10.1038/nrm1225. — PMID:14570061. Процитовано 13.07.2013.
5. А. В. Сиволоб, К. С. Афанасьєва (2012). . К: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет". с. 21. Архів оригіналу за 23 вересня 2015. Процитовано 19 грудня 2019. 
6. Luger K, Dechassa ML, Tremethick DJ. New insights into nucleosome and chromatin structure: an ordered state or a disordered affair? // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2012. — Т. 7, вип. 13 (July). — С. 436—47. — DOI:10.1038/nrm3382. — PMID:22722606. з джерела 25 травня 2021. Процитовано 14 липня 2013.
7. Maze, Ian; Noh, Kyung-Min; Soshnev, Alexey A.; Allis, C. David (April 2014). . Nature Reviews. Genetics 15 (4). с. 259–271. ISSN 1471-0064. PMC PMC4082118. PMID 24614311. doi:10.1038/nrg3673. Архів оригіналу за 12 листопада 2016. Процитовано 2 червня 2017. 
8. William F. Marzluff, Eric J. Wagner & Robert J. Duronio (November 2008). Metabolism and regulation of canonical histone mRNAs: life without a poly(A) tail. Nature reviews. Genetics 9 (11): 843–854. PMID 18927579. doi:10.1038/nrg2438. 
9. Chris J. Norbury (October 2013). Cytoplasmic RNA: a case of the tail wagging the dog. Nature reviews. Molecular cell biology 14 (10): 643–653. PMID 23989958. doi:10.1038/nrm3645. 
10. Білок SLBP людини UniProt Q53XR2
11. Thomas E. Mullen & William F. Marzluff (January 2008). Degradation of histone mRNA requires oligouridylation followed by decapping and simultaneous degradation of the mRNA both 5' to 3' and 3' to 5'. Genes & development 22 (1): 50–65. PMID 18172165. doi:10.1101/gad.1622708.