A hisztonok (a görög ἱστός "szövet" szóból) a nukleáris fehérjék kiterjedt osztálya, amely két fő funkciót lát el: részt vesz a DNS-szálak becsomagolásában a sejtmagban, és olyan nukleáris folyamatok epigenetikai szabályozását, mint a transzkripció , replikáció és javítás .
A kromatinban a hisztonok a száraz tömeg 25-40%-át teszik ki [1] . A magas lizin és arginin tartalma miatt a hisztonok erősen bázikus tulajdonságokat mutatnak. A hisztonok közvetlen kapcsolatban állnak a DNS-sel, és képesek semlegesíteni a DNS-foszfátcsoportok negatív töltését az aminosavak pozitív töltése miatt. Ezekben a fehérjékben az aminosavak sorrendje konzervatív, és gyakorlatilag nem különbözik a különböző taxonokhoz tartozó szervezetekben . A hisztonok jelen vannak az eukarióta sejtek magjában; A baktériumoknak nincs hisztonjuk , de megtalálhatók az Euryarchaea csoport archeáiban [2] .
A hisztonokat 1884-ben Albrecht Kossel német biokémikus fedezte fel [3] .
Csak öt különböző típusú hiszton létezik: H1/H5, H2A, H2B, H3, H4.
A H2A, H2B, H3, H4 hisztonok, úgynevezett core hisztonok (az angol core "core; core" szóból), egy nukleoszómát alkotnak , amely egy fehérjegömböcske, amely köré egy DNS-szál tekercselődik. Az összes maghiszton központi alegysége azonos másodlagos szerkezettel rendelkezik, kiterjesztett α-helikális doménnel, amelyet mindkét oldalon egy hurkot és egy rövid α-hélixet tartalmazó domének szegélyeznek. Ezt az alegységet "hisztonredőnek" [4] nevezik .
A maghisztonok mind a négy típusa ugyanazzal a „hisztonredővel” rendelkezik, miközben a szekvenciaazonosság közöttük meglehetősen alacsony [5] (egyes becslések szerint nem haladja meg a 25%-ot).
A H1/H5 hiszton, az úgynevezett linker hiszton , a nukleoszóma külső részéhez kötődik , és rögzíti rajta a DNS-szálat. Az ezt követő DNS-szakaszt linker DNS-nek nevezik (körülbelül 100 bázispár). A H1 hiszton a legnagyobb az összes hiszton közül. Eltér a mag hisztonoktól, és befolyásolja a további kromatin csomagolást [4] .
A nukleoszómák és a linker hisztonok számos olyan funkcióval rendelkeznek, amelyek meghatározzák a kromatin dinamikáját. Például a H1 hiszton egy DNS-szál fixer a nukleoszómán, és így szabályozza a kromatin hozzáférhetőségét [6] . A maghisztonok viszont megváltoztathatják a belső összetételt, és ezáltal befolyásolhatják a kromatin hozzáférését bizonyos DNS-régiókhoz. Ezenkívül a nukleoszómális fehérjék számos poszttranszlációs módosuláson mennek keresztül a sejt élete során, beleértve az acetilezést, metilezést, foszforilációt és ubiquitilációt, amelyek megváltoztathatják a nukleoszóma tulajdonságait és befolyásolhatják a nukleoszóma különböző fehérjékkel való kölcsönhatását.
A nukleoszóma körülbelül 147 bázispár (bp) DNS-ből áll, amely egy oktamer (a hélix kb. 1,67 fordulata) köré tekercselt, amely fehérjepárokból, úgynevezett maghisztonokból áll. Átmérője 7 nm. Az egyik nukleoszómát "ölelő" DNS-fragmens hossza változó, átlagosan 200 bp. Ugyanakkor 146 bp közvetlenül kapcsolódik a nukleoszómához, a fennmaradó több tíz pedig két szomszédos nukleoszómát [7] . A H1 linker hiszton kölcsönhatásba lép a DNS linker régiójával anélkül, hogy érintkezésbe kerülne a hiszton oktamerrel.
A nukleoszóma hisztonjai és a DNS közötti kapcsolat meglehetősen erős. Mindegyik nukleoszómában 142 hidrogénkötés jön létre a DNS és az azt alkotó hisztonok között . Ezeknek a kötéseknek csaknem fele a hiszton aminosavak fő lánca és a DNS cukor-foszfát gerincének foszfodiészter csoportjai között található. A DNS és a fehérjék közötti hidrogénkötések mellett a nukleoszómák számos hidrofób kölcsönhatást és sóhidat tartanak össze. Például a lizin és arginin aminosavak pozitív töltései , amelyekkel a hisztonok feldúsulnak, hatékonyan semlegesíthetik a DNS-váz negatív töltését. Ezek a többszörös kölcsönhatások részben megmagyarázzák, hogy szinte bármilyen DNS-szekvencia kapcsolódhat nukleoszómális oktamerhez [8] .
A H2A, H2B, H3 és H4 tehénhisztonok kisméretű, 10-15 kDa molekulatömegű fehérjék , amelyek összetétele rendkívül gazdag pozitív töltésű aminosavakban, a lizinben és az argininben [9] . A pozitív töltésű aminosavak főként az amin (N-) és karboxil (C-) (lásd peptidkötés ) terminális részeiben koncentrálódnak a mag hiszton molekulákban, amelyeket farkaknak nevezünk. A körülbelül 15-30 aminosavból álló hisztonfarok nem szerveződik semmilyen kifejezett másodlagos struktúrába. A hisztonfarok, elsősorban az N-farok kulcsszerepet játszik azokban az epigenetikai mechanizmusokban, amelyekben ezek a fehérjék részt vesznek. A hidrofób aminosavak dominálnak a hiszton polipeptid lánc központi, leginkább konzervált régióiban. Ezek a központi régiók vesznek részt a nukleoszómális oktamer kialakulásában, amelyen a DNS kanyarodik [3] . Az összes nukleoszómális hiszton központi régiója jellegzetes másodlagos szerkezettel rendelkezik, kiterjesztett α-helikális doménnel, amelyet mindkét oldalon egy hurkot és egy rövid α-hélixet tartalmazó domének szegélyeznek. Ezt a térszerkezetet hisztonredőnek ( angolul histon fold domain , HFD) nevezik [10] . Így a nukleoszómális hisztonok központi strukturált háromszálú HFD domént és strukturálatlan N- és C-farkat tartalmaznak.
A H3 és H4, H2A és H2B hisztonok párban ismerik fel egymást. A helikális domének kölcsönhatásba lépnek egymással, kézfogásnak nevezett struktúrákat alkotva, ami heterodimereket eredményez - H3-H4 és H2A-H2B. Az első dimerből viszont egy tetramer (Н3-Н4) 2 képződik . A tetramer (H3-H4) 2 és két dimer, a H2A-H2B alkotják a hisztonoktamert, a nukleoszóma magját [3] . A nukleoszóma ék alakú. Keskeny része (H3-H4) 2 , a széles része pedig két H2A-H2B dimerből áll, amelyek a (H3-H4) 2 tetramer oldalain helyezkednek el és nem lépnek kölcsönhatásba egymással. A nukleoszómális oktamer körül feltekeredett DNS-ből körülbelül 80 bázispár kapcsolódik a (H3-H4) 2 tetramerhez és körülbelül 40 bázispár a H2A-H2B dimerekhez [10] .
A H1 linker hiszton a nukleoszóma külső oldalához kötődik a (H3-H4) 2 tetramer régiójában , ezáltal rögzíti a DNS-szálat a nukleoszómán. A madarak és hüllők eritrocitáiban az inaktív kromatinban a H1 hiszton helyett egy közeli rokon H5 hiszton található [10] . A H1/H5 hiszton jelentősen eltér a négy mag hisztontól. Molekulatömege meghaladja a 20 kDa-t. Lényegesen több lizint tartalmaz, mint az arginin, és minden pozitív töltésű aminosav a H1 molekula C-terminálisán koncentrálódik. A H1 molekula C-terminálisát rendezetlen szerkezet jellemzi, és körülbelül 100 aminosav hosszúságú. A H1 molekula központi része hidrofób aminosav-maradékokban gazdag, és oldatban gömbölyűt alkot. Az N-terminálisnak nincs rendezett szerkezete és viszonylag rövid [9] .
Az eukarióta sejtek működését nukleoszóma szinten szabályozó egyik fontos tényező a hisztonok variánsaival való helyettesítése . Kétféle hiszton létezik: kanonikus és hisztonváltozat.
A H4 hiszton kivételével minden hisztonnak különböző változatai vannak. A kanonikus hisztonok (H2A, H2B, H3, H4, H1/H5) általában replikációfüggőek [4] . Különösen a sejtciklus S-fázisában fejeződnek ki. Míg a hisztonváltozatok (H2A.Z, H2A.B, ..., H2B.W, H2B.Z, ..., H3.3, H3.Y, H3.5, ..., H1.0, H1. 10) függetlenek a replikációtól, és a sejt teljes élettartama alatt expresszálódnak. Mind a kanonikus hisztonoknak, mind azok változatainak megvannak a saját jellegzetességei az organizmus típusától függően. Bár léteznek univerzális hisztonok is [11] .
A hisztonváltozatok szerepe a nukleoszómális kromatin feltekeredésének megőrzése, stabilitásának növelése vagy csökkentése, speciális kontextus létrehozása minden egyes kromatin régióban, és ezáltal a transzkripciós, replikációs és javítási folyamatok szabályozása [10] . Mindegyik hisztonváltozatnak van egy jellegzetes szekvenciája és szerkezeti sajátosságai, amelyek megmagyarázzák sajátos funkcióját [4] . Sőt, míg egyes variánsok csak néhány aminosavban térhetnek el egymástól, mások kisebb hasonlóságot mutathatnak. Például a H2B és a H2B.E csak négy vagy öt aminosavban különbözik, míg a H2A.Z két alvariánsa (H2A.Z.1 és H2A.Z.2) a gerinceseknél csak hárommal tér el egymástól. Hasonló helyzet figyelhető meg a H2A.X hisztonváltozat és annak kanonikus formája között. A H2A-tól a funkcionálisan fontos Ser-Gln-(Glu/Asp)-P C-terminális foszforilációs motívumában különbözik, ahol P egy hidrofób csoport. Opció-specifikus szerinfoszforiláció ebben a motívumban a DNS kettős szálú törések kialakulása során fordulhat elő, és fontos lehet a különböző kromatin-átalakítási faktorok toborzása és megtartása szempontjából, hogy elősegítse a kettős szálú törések helyreállítását. Az alacsonyabb azonosságú variánsok párjára példa a H2A.L, amely csak 24%-os szekvenciaazonossággal rendelkezik a kanonikus H2A-val [11] .
Ismeretes, hogy a hisztonváltozatok módosításai gyakran megegyeznek a kanonikus formájukkal. Például a H3.3-ban lévő Lys4 gyakran trimetilezett (H3.3K4me3), míg a Lys18 és Lys23 gyakran acetilezett (H3.3K18ac, illetve H3.3K23ac) [12] .
A klasszikus hisztongének több példányban vannak jelen a genomban , és tandemszerűen ismétlődő klaszterekbe állnak össze. A kanonikus hisztongének klaszteres szerveződése minden többsejtű szervezetre jellemző . Emberben e gének legnagyobb klasztere, az úgynevezett HIST1 és 55 génből áll, a 6. kromoszómán található a 6p21-p22 régióban. Két kisebb klaszter található az 1. kromoszómán : az 1q21 sávban a 6 hisztongént tartalmazó HIST2 klaszter, az 1q42 sávban pedig a három génből álló HIST3 klaszter található. A fent leírt három klaszteren kívül, a 12. kromoszómán , a 12p13.1 sávban található az egyetlen, a kanonikus maghisztont kódoló gén, a H4 hisztont kódoló HIST4H4 gén [13] .
A kanonikus hisztongének jellegzetes vonása az intronok hiánya . Ezeknek a géneknek a transzkripciója szigorúan a sejtciklus S-fázisában megy végbe . Ezeknek a géneknek a hírvivő RNS- e nem poliadenilált, az mRNS 3'-nem kódoló része egy szárhurok másodlagos szerkezetté van hajtogatva [14] .
A kanonikus hisztongénekkel ellentétben a variáns hisztongének nem alkotnak klasztereket, szétszórtan helyezkednek el a genomban, gyakran tartalmaznak intronokat, a belőlük átírt RNS poliadenálódik, a transzkripció a teljes sejtciklus alatt megtörténik.
| szupercsalád | Család | Alcsalád | Gének |
|---|---|---|---|
| Linker hiszton | |||
| Hiszton H1 | |||
| H1 variáns hisztonok (H1F alcsalád) | H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX, HILS1 | ||
| Kanonikus hiszton H1 gének a HIST1 klaszterben (H1H1) | HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T | ||
| Mag hisztonok | |||
| Hiszton H2A | |||
| H2A (H2AF) hisztonváltozat | H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ | ||
| Kanonikus hiszton H2A gének a HIST1 (H2A1) klaszterben | HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM | ||
| Kanonikus hiszton H2A gének a HIST2 klaszterben (H2A2) | HIST2H2AA3, HIST2H2AC | ||
| Hiszton H2B | |||
| Változatos hisztonok H2B (H2BF) | H2BFM, H2BFS, H2BFWT | ||
| Kanonikus hiszton H2B gének a HIST1 (H2B1) klaszterben | HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H21BH | ||
| Kanonikus hiszton H2A gén a HIST2 klaszterben (H2B2) | HIST2H2BE | ||
| Hiszton H3 | |||
| Kanonikus hiszton H3 gének a HIST1 (H3A1) klaszterben | HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J | ||
| Kanonikus hiszton H3 gének a HIST2 klaszterben (H3A2) | HIST2H3C | ||
| Kanonikus hiszton H3 gének a HIST3 klaszterben (H3A3) | HIST3H3 | ||
| Hiszton H4 | |||
| Kanonikus hiszton H4 gének a HIST1 (H41) klaszterben | HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L | ||
| Kanonikus hiszton H4 gén a klasztereken kívül | HIST4H4 |
Az oktamerben lévő hisztonoknak van egy 20 aminosavból álló mobil N-terminális fragmense ("farok"), amely kinyúlik a nukleoszómákból, és fontos a kromatin szerkezetének fenntartásához és a génexpresszió szabályozásához. Például ismert, hogy egyes hisztonmódosítások ( foszforiláció és acetilezés ) túlnyomórészt aktív génekkel rendelkező kromatin régiókban lokalizálódnak [15] [16] , míg dezacetilációjuk [17] és a polikombinációs represszor komplex általi metilációja fontos szerepet játszik a pluripotencia fenntartásában. és a differenciálás [18] .
A szabályozás mechanizmusának részletei még nem teljesen tisztázottak [19] [20] [21] .
A hisztonok aminosavszekvenciája, azaz elsődleges szerkezete alig változott az evolúció során. Ez jól látható, ha összehasonlítjuk az emlős-, növény- és élesztőhisztonok aminosav-szekvenciáját. Így az emberi és a búza H4 csak néhány aminosavban különbözik. Ezenkívül a fehérjemolekula mérete és polaritása meglehetősen állandó. Ebből arra következtethetünk, hogy a hisztonokat még az állatok, növények és gombák közös elődjének korában (több mint 700 millió évvel ezelőtt) optimalizálták. Noha azóta számtalan pontmutáció történt a hisztongénekben, ezek nyilvánvalóan a mutáns organizmusok kihalásához vezettek.
| Kromoszómák | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fő | |||||||||||
| Osztályozás | |||||||||||
| Szerkezet |
| ||||||||||
| Szerkezetátalakítás és jogsértések | |||||||||||
| A kromoszómális nem meghatározása | |||||||||||
| Mód | |||||||||||