Kas yra histonai? DNR pakuotė, nukleosomos ir genų reguliavimas

Sužinokite, kaip histonai supakuoja DNR į nukleosomas ir valdo genų raišką — aiškus paaiškinimas apie chromatino struktūrą ir genų reguliavimą.

Histonai yra eukariotinių ląstelių branduoliuose esantys baltymai, kurie supakuoja DNR į struktūrinius vienetus, vadinamus nukleosomomis. Jie yra pagrindiniai chromatino, aktyviosios chromosomų dalies, baltyminiai komponentai.

Histonai veikia kaip ritės, aplink kurias sukasi DNR, ir atlieka svarbų vaidmenį genų reguliavime. Jei nebūtų histonų, chromosomose esanti išvyniota DNR būtų labai ilga. Pavyzdžiui, kiekviena žmogaus ląstelė turi apie 1,8 metro DNR, tačiau ant histonų suvyniotas chromatinas yra apie 90 milimetrų ilgio, kuris, dubliuodamasis ir kondensuodamasis mitozės metu, sudaro apie 120 mikrometrų ilgio chromosomas.

Kaip sudarytos nukleosomos

Klasikinė nukleosoma susideda iš histonų oktamero – dviejų kiekvieno iš keturių pagrindinių branduolinių histonų: H2A, H2B, H3 ir H4. Apie 147 pagrindinių bazinių porų DNR apsivynioja aplink šį oktamerą maždaug 1,7 karto. Tarp nukleosomų būna trumpesnė „tarpplokštelės“ (linkerio) DNR atkarpa, kurią dažnai jungia ir stabilizuoja H1 — vadinamasis „linkerio histonas“.

Histonų variantai ir baltymų chaperonai

Be pagrindinių histonų egzistuoja ir jų variantai (pvz., H3.3, H2A.Z, macroH2A), kurie suteikia chromatinui specifinių savybių: padeda atkurti DNR pažeidimus, dalyvauja aktyvaus arba uždaro chromatino formavime arba reguliuoja transkripciją tam tikruose genomos regionuose. Histonų įterpimą ir pernašą atlieka specialūs baltymai — histonų chaperonai (pvz., CAF-1, NAP1).

Histonų modifikacijos ir „histono kodas“

Histonai turi ilgus N-galinių „uodegų“ peptidų galus, kurie gali būti cheminiais pakeitimais modifikuojami. Pagrindinės modifikacijos:

• Acetilinimas — susijęs su atviresne chromatino struktūra ir aktyvia transkripcija;
• Metilinimas — efektas priklauso nuo modifikuojamos vietos: pvz., H3K4me3 dažnai žymi aktyvias promotorių sritis, o H3K9me3 susijęs su heterochromatinu ir genų slopinimu;
• Fosforilinimas — svarbu ląstelės cikle ir DNR pažeidimų signalizacijoje;
• Ubiquitinacija ir kitos modifikacijos — dalyvauja chromatinio konteksto reguliavime ir baltymų perkėlimuose.

Toks modifikacijų derinys sudaro vadinamąjį „histono kodą“, kurį „skaitydami“ specialūs baltymai (pvz., bromodomenai, chromodomenai) nustato, ar tam tikras chromatinio regiono genas bus aktyvus ar slopinamas.

Chromatino pertvarkymas ir genų reguliavimas

Nukleosomų vieta ir tankis lemia, ar transkripcijos aparato baltymai gali prieiti prie promotorų. Chromatino pertvarkymui ir nukleosomų „perstatymui“ reikalingi ATP priklausomi chromatinio remodeliavimo kompleksai (pvz., SWI/SNF, ISWI, CHD), kurie nukleosomas gali slinkti, pašalinti arba pakeisti jų sudėtį. Tokie procesai yra esminiai reaguojant į signalus, prasidedant transkripcijai, replikacijai ar DNR remontui.

Funkcijos ląstelių biologijoje ir ligose

• Genų ekspresijos reguliavimas — histonų modifikacijos ir nukleosomų pozicija tiesiogiai veikia, ar genai bus įjungti ar išjungti.
• DNR replikacija ir ląstelės ciklas — nauji histonai sintezuojami ir įvedami į chromatino struktūrą S fazėje; mitozės metu chromatinui būnant maksimaliai kondensuotam, histonai ir kiti baltymai padeda užtikrinti teisingą chromosomų išsidėstymą.
• DNR remontas — tam tikros histonų modifikacijos signalizuoja apie pažeidimą ir pritraukia remonto kompleksus.
• Klinikinė reikšmė — mutacijos histonų genuose arba nenormalus modifikacijų paternai gali prisidėti prie vėžio ir kitų ligų (pvz., „onco-histonai“ H3K27M susiję su tam tikrais smegenų navikais). Histonų modifikacijas galinčios keisti medžiagos (pvz., HDAC inhibitoriai) naudojamos kaip terapija kai kuriose ligose.

Tyrimo metodai

Chromatino ir histonų vaidmeniui tirti dažnai naudojami instrumentiniai metodai:

• ChIP-seq — identifikuoja, kur tam tikros histono modifikacijos arba histonų varijantai yra genome;
• ATAC-seq — matuoja atvirus chromatino regionus;
• MNase-seq — pagal nukleosomų apsaugotą DNR nustato nukleosomų pozicijas.

Santrauka

Histonai — tai ne tik DNR „ritės“, bet ir dinamiški reguliatoriai, kurie per modifikacijas, variantus ir sąveikas su kitais baltymais kontroliuoja genomą funkciškai ir erdviškai. Supratimas, kaip histonai veikia, yra kertinis taškas aiškinant genų raiškos mechanizmus, ląstelės atsaką į pažeidimus ir vystymo procesus, taip pat kuriant terapijas ligoms, susijusioms su epigenetinėmis disfunkcijomis.

Funkcijos

DNR gijų sutankinimas

Histonai veikia kaip ritės, aplink kurias sukasi DNR. Dėl to dideli eukariotų genomai telpa į ląstelių branduolius. Suspausta molekulė yra 40 000 kartų trumpesnė už nesuspaustą molekulę.

Chromatino reguliavimas

Histonai keičiasi, todėl keičiasi jų sąveika su DNR ir branduolio baltymais. Ilgalaikiai histonų ir DNR sąveikos pokyčiai sukelia epigenetinį poveikį. Manoma, kad modifikacijų deriniai sudaro kodą, vadinamąjį histonų kodą. Histonų modifikacijos veikia įvairius biologinius procesus, pavyzdžiui, genų reguliavimą, DNR remontą ir chromosomų kondensaciją (mitozę).

Pavyzdžiai

Histonų modifikacijų, susijusių su transkripcijos reguliavimu, pavyzdžiai:

Pakeitimo tipas	Histonas
	H3K4	H3K9	H3K14	H3K27	H3K79	H4K20	H2BK5
monometilinimas	aktyvavimas	aktyvavimas		aktyvavimas	aktyvavimas	aktyvavimas	aktyvavimas
di-metilinimas		represijos		represijos	aktyvavimas
trimetilinimas	aktyvavimas	represijos		represijos	aktyvavimas, slopinimas		represijos
acetilinimas		aktyvavimas	aktyvavimas

DNR išorėje apvytęs apvalus histonas viduje. Žvilgsnis iš viršaus per spiralės ašį

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra histonai?

K.: Kokią funkciją atlieka histonai?

K: Kas nutiktų be histonų?

K: Kiek DNR yra kiekvienoje žmogaus ląstelėje?

K: Kiek chromatino turi kiekviena žmogaus ląstelė?

K: Kas vyksta mitozės metu?

K: Koks histonų vaidmuo chromosomose?

Paieška pagal raidę