Histoni: olbaltumvielas DNS iepakošanai un gēnu regulācijai

Histoni: olbaltumvielas, kas iepako DNS nukleosomās, veido hromatīnu un regulē gēnu ekspresiju — būtiska loma šūnu struktūrā, dalīšanās un genomiskajā regulācijā.

Histoni ir olbaltumvielas, kas atrodamas eikariožu šūnu kodolos un kas iepako DNS strukturālās vienībās, ko sauc par nukleosomām. Tie ir hromatīna - hromosomu aktīvās sastāvdaļas - galvenās olbaltumvielas.

Histoni darbojas kā spoles, ap kurām vijas DNS, un tiem ir svarīga loma gēnu regulēšanā. Ja nebūtu histonu, hromosomās atritinātā DNS būtu ļoti gara. Piemēram, katrā cilvēka šūnā ir aptuveni 1,8 metri DNS, bet uz histoniem uzvilktais hromatīns ir aptuveni 90 milimetru garš, kas, mitozes laikā dublējoties un kondensējoties, veido aptuveni 120 mikrometru hromosomu.

Histonu struktūra un nukleosoma

Nukleosoma ir pamatvienība, kurā DNS aptin ap histonu kompleksu. Kodola histonu oktamers sastāv no divām katra histona paralogām: H2A, H2B, H3 un H4. Ap šo oktameru aptinas apmēram 147 bāzes pāri DNS, veidojot ~1,65 reizes ap savu asi viju. Starp nukleosomām atrodas saite-DNS, kuras garums variē; to papildus stabilizē H1 (saite- vai linker-histons), kas palīdz augstākas kārtas hromatīna struktūru veidošanā.

Hromatīna organizācija un dinamika

Histoni un nukleosomas ļauj kompaktēt DNS, atvieglojot hromosomas iekļaušanos kodolā. Taču hromatīns nav statisks: tā struktūra mainās atkarībā no šūnas cikla, transkripcijas aktīvitātes un DNS remonta. Plaši izmantotie jēdzieni ir euhromatīns (relatīvi "vaļīgs", transkripcionāli aktīvs) un heterohromatīns (kompakts, parasti klusējošs).

Histonu post-translācijas modifikācijas (PTM) un "histonu kods"

Histonu galvenes (N-terminālie astes) bieži tiek modificētas ar dažādām ķīmiskām grupām — acetilēšanu, metilēšanu, fosforilēšanu, ubikvitinēšanu u.c. Šīs modifikācijas ietekmē nukleosomu stabilitāti, hromatīna saliekamību un piesaista specifiskas lasošās olbaltumvielas. Piemēri:

• Acetilēšana (piem., H3K27ac) parasti saista ar atvērtu hromatīnu un aktivu transkripciju, jo tiek neitralizēta lizīna pozitīvā lādēšanās, samazinot histonu-saistīšanos ar DNS.
• Metilēšana var signalizēt gan aktivāciju, gan represiju atkarībā no vietas un pakāpju (piem., H3K4me3 — aktīva promotera zīme; H3K27me3 — represijas zīme).
• Fosforilēšana bieži iesaistīta šūnu cikla un DNS bojājumu atbildēs.

Savstarpēji kombinētas modifikācijas veido tā saukto histonu kodu, kas kopā ar hromatīna remodelētājiem nosaka gēnu ekspresiju un citus genomiskus procesus.

Histonu varianti un chaperoni

Pastāv histonu varianti (piem., H3.3, H2A.Z, CENP-A u.c.), kas aizstāj kanoniskos histonus noteiktās genoma vietās un piešķir īpašas funkcijas — piemēram, CENP-A ir būtisks centromēru funkcijai. Histonu apriti un ievietošanu kontrolē specializētas olbaltumvielas — histonu chaperoni (piem., CAF-1, NAP1), kā arī ATP atkarīgie hromatīna remodelētāji (SWI/SNF, ISWI, CHD, INO80), kuri pārkārto nukleosomas vai noņem tās.

Funkcijas šūnas procesos

• Gēnu regulācija: histonu modifikācijas un nukleosomu pozīcija ietekmē piekļuvi transkripcijas faktoriem un polimerāzei.
• DNS replikācija: histoni ir jānoņem un atkārtoti jāievieto kopā ar replikāciju; speciāli mehānismi nodrošina histonu modifikāciju uzturēšanu vai atjaunošanu.
• DNS remonta procesi: modifikācijas un remodelētāji palīdz piekļūt bojātai DNS un koordinēt remonta mašīnas darbu.
• Epigenētiskā mantojība: daļas histonu modifikāciju var saglabāties un ietekmēt gēnu ekspresiju nākamajās šūnu paaudzēs.

Medicīniskais un pētnieciskais nozīmīgums

Disfunkcionālas histonu modifikācijas, mutācijas histonu gēnos vai bojāti hromatīna remodelētāji ir saistīti ar slimībām, tostarp vēzi un attīstības traucējumiem. Piemēram, tā sauktie "onko-histoni" (H3 mutācijas) ir konstatēti dažos smadzeņu audzējos. Terapijā izmanto HDAC inhibitorus un citus epigenētiskos līdzekļus, kas mērķē histonu modifikāciju sistēmas.

Metodes histonu pētīšanai

Izplatītas metodes iekļauj ChIP-seq (hromatīna imūnprecipitācija sekvenēšanai), ATAC-seq (atvērā hromatīna kartēšanai), MNase-seq (nukleosomu kartei), kā arī strukturālās metodes kā kriomikroskopija un rentgenkrystallogrāfija, kas atklāja nukleosomas 3D arhitektūru.

Kopumā histoni nav tikai "spoles" DNA iepakošanai — tie ir dinamiskas regulācijas komponentes, kas savieno šūnas fizioloģiju ar genomisko informāciju, nodrošinot gan strukturālu organizāciju, gan adaptīvu regulāciju atbilstoši šūnas vajadzībām.

Funkcijas

DNS pavedienu sablīvēšana

Histoni darbojas kā spoles, ap kurām vijas DNS. Tādējādi lielie eikariotu genomi tiek ievietota šūnas kodolā. Sakomplektētā molekula ir 40 000 reižu īsāka par nesakomplektēto molekulu.

Hromatīna regulēšana

Histonos notiek izmaiņas, kas maina to mijiedarbību ar DNS un kodola olbaltumvielām. Ilgtermiņa histonu un DNS mijiedarbības izmaiņas izraisa epiģenētisku ietekmi. Tiek uzskatīts, ka modifikāciju kombinācijas veido kodu, tā saukto histona kodu. Histonu modifikācijas darbojas dažādos bioloģiskos procesos, piemēram, gēnu regulācijā, DNS labošanā un hromosomu kondensācijā (mitozē).

Piemēri

Histonu modifikāciju piemēri transkripcijas regulēšanā ir šādi:

Izmaiņas veids	Histons
	H3K4	H3K9	H3K14	H3K27	H3K79	H4K20	H2BK5
monometilēšana	aktivizēšana	aktivizēšana		aktivizēšana	aktivizēšana	aktivizēšana	aktivizēšana
di-metilēšana		represijas		represijas	aktivizēšana
trimetilēšana	aktivizēšana	represijas		represijas	aktivizēšana, apspiešana		represijas
acetilēšana		aktivizēšana	aktivizēšana

DNS no ārpuses apvij apaļu histonu no iekšpuses. Skats no augšas caur spirāles asi

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir histoni?

J: Kāda ir histonu funkcija?

J: Kas notiktu bez histoniem?

Jautājums: Cik daudz DNS ir katrā cilvēka šūnā?

J: Cik daudz hromatīna ir katrā cilvēka šūnā?

J: Kas notiek mitozes laikā?

J: Kāda ir histonu loma hromosomās?

Meklēt pēc burta