Гистон

Гистон — это общее название класса высококонсервативных ядерных белков, которые выполняют ключевую структурную и регуляторную функцию в упаковке и организации дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в хроматин эукариотических клеток. Гистоны образуют белковый комплекс — нуклеосому, вокруг которого наматывается нить ДНК, что обеспечивает компактное хранение генетического материала в ядре, а также участвует в регуляции экспрессии генов, репликации и репарации ДНК. Гистоны характеризуются высоким содержанием основных аминокислот (лизина и аргинина), что придаёт им положительный заряд и обеспечивает прочное электростатическое взаимодействие с отрицательно заряженной ДНК.

История открытия

Первые упоминания о гистонах относятся к концу XIX века, когда немецкий биохимик Альбрехт Коссель (нобелевский лауреат 1910 года) в 1884 году выделил из эритроцитов гусей вещество, названное им «гистоном» (от греч. histos — ткань). Однако систематическое изучение гистонов началось только в середине XX века. В 1960-х годах благодаря работам биохимиков Роджера Корнберга и Аарона Клауга была установлена нуклеосомная модель организации хроматина, согласно которой гистоны образуют дискретные частицы — нуклеосомы. Корнберг в 1974 году экспериментально подтвердил, что нуклеосома состоит из октамера гистонов (по две копии гистонов H2A, H2B, H3 и H4), вокруг которого обёрнуто 146 пар оснований ДНК. За эти открытия Роджер Корнберг был удостоен Нобелевской премии по химии в 2006 году.

Классификация и структура

Основные типы гистонов

У эукариот выделяют пять основных типов гистонов, которые делятся на две группы:

• Коровые (нуклеосомные) гистоны: H2A, H2B, H3 и H4. Они образуют октамерный комплекс, вокруг которого наматывается ДНК. Каждый из этих гистонов имеет глобулярную (центральную) часть, участвующую в формировании нуклеосомы, и неструктурированные N-концевые «хвосты», выступающие наружу. Именно эти хвосты подвергаются посттрансляционным модификациям.
• Линкерный гистон H1 (и его варианты, например H5 у птиц). Он связывается с участком ДНК между нуклеосомами (линкерной ДНК) и способствует дальнейшей компактизации хроматина, стабилизируя структуру более высокого порядка — хроматиновую фибриллу.

Варианты гистонов

Помимо канонических гистонов, существуют их варианты, которые экспрессируются в определённых клетках или на определённых стадиях клеточного цикла. Например:

• H2A.Z — вариант H2A, участвующий в регуляции транскрипции и репарации ДНК.
• H3.3 — вариант H3, который встраивается в хроматин независимо от репликации и часто ассоциирован с активными генами.
• CENP-A — вариант H3, специфичный для центромерных участков хромосом и необходимый для сборки кинетохора.

Посттрансляционные модификации

Гистоны, особенно их N-концевые хвосты, подвергаются многочисленным ковалентным модификациям, которые регулируют структуру хроматина и активность генов. К наиболее изученным модификациям относятся:

• Ацетилирование (лизинов) — обычно ассоциируется с активацией транскрипции, так как нейтрализует положительный заряд гистонов, ослабляя их связь с ДНК.
• Метилирование (лизинов и аргининов) — может как активировать, так и подавлять транскрипцию в зависимости от контекста (например, триметилирование H3K4 — активация, триметилирование H3K9 — репрессия).
• Фосфорилирование (серинов, треонинов) — участвует в конденсации хроматина при митозе и в ответ на повреждения ДНК.
• Убиквитинирование (лизинов) — регулирует репарацию и транскрипцию.
• Сумаилирование — модификация, участвующая в репрессии генов.

Совокупность этих модификаций, а также их комбинаций, получила название «гистоновый код».

Функции

Структурная роль

Основная функция гистонов — упаковка ДНК. Длина ДНК в одной клетке человека составляет около 2 метров, а диаметр ядра — примерно 10 микрометров. Гистоны обеспечивают компактизацию в несколько уровней:

1. Нуклеосома — первый уровень (11 нм фибрилла).
2. Хроматиновая фибрилла (30 нм) — формируется при участии гистона H1.
3. Петлевые домены и далее — хромосомы (метафазные хромосомы).

Регуляция экспрессии генов

Гистоны не просто пассивные «катушки» для ДНК. Их модификации и варианты непосредственно влияют на доступность генов для транскрипционных факторов и РНК-полимеразы. Участки хроматина, обогащённые ацетилированными гистонами и определёнными метками (например, H3K4me3), обычно соответствуют активным генам. Напротив, участки с деацетилированными гистонами и метками H3K9me3 или H3K27me3 образуют гетерохроматин, где гены репрессированы.

Репликация и репарация ДНК

В процессе репликации ДНК гистоны временно удаляются с материнской цепи и затем равномерно распределяются между дочерними молекулами. Новые гистоны синтезируются в S-фазе клеточного цикла. Также гистоны участвуют в сигналинге и репарации двухцепочечных разрывов ДНК — например, фосфорилирование гистона H2AX (γH2AX) служит маркером повреждения.

Гистоны у прокариот

Долгое время считалось, что гистоны являются исключительной принадлежностью эукариот. Однако в 1990-х годах у архей (особенно у эвриархеот) были обнаружены белки, гомологичные эукариотическим гистонам. Они образуют тетрамеры (аналогичные коровым гистонам) и упаковывают ДНК в нуклеосомоподобные структуры. У бактерий гистонов нет, хотя существуют другие ДНК-связывающие белки (например, HU, IHF), выполняющие сходные функции.

Медицинское значение

Нарушения в структуре, модификациях или экспрессии гистонов связаны с рядом заболеваний.

Рак

Мутации в генах гистонов (например, в гене H3F3A, кодирующем гистон H3.3) обнаружены при некоторых типах рака, включая глиобластомы и детские рабдоидные опухоли. Также при многих онкологических заболеваниях наблюдается дисбаланс гистоновых модификаций — например, глобальное снижение ацетилирования или гиперметилирование репрессивных меток. Ингибиторы гистондеацетилаз (HDACi) и гистонметилтрансфераз используются в качестве противоопухолевых препаратов.

Аутоиммунные и воспалительные заболевания

Гистоны могут выступать в роли антигенов при системной красной волчанке и других аутоиммунных патологиях. При сепсисе и травмах внеклеточные гистоны (высвобождающиеся из погибших клеток) обладают цитотоксичностью и способствуют развитию воспаления.

Наследственные болезни

Мутации в генах гистоновых вариантов (например, H1F0, H2AFY) или ферментов, модифицирующих гистоны, могут приводить к редким генетическим синдромам, сопровождающимся умственной отсталостью, аномалиями развития и предрасположенностью к раку.

Интересные факты

• Гистоны — одни из самых консервативных белков в эволюции. Например, гистон H4 гороха и коровы различается всего по двум аминокислотным остаткам из 102.
• В клетках млекопитающих гистоны составляют около 10–15% всех ядерных белков.
• У некоторых организмов (например, у дрожжей Saccharomyces cerevisiae) отсутствует линкерный гистон H1, и компактизация хроматина происходит иначе.
• Гистоны могут подвергаться модификациям не только в хвостовой части, но и в глобулярном домене — например, ацетилирование H3K56 участвует в репарации ДНК.
• Внеклеточные гистоны, образующиеся при массивной гибели клеток (например, при сепсисе), являются одними из главных медиаторов повреждения тканей — они активируют тромбоциты, вызывают эндотелиальную дисфункцию и способствуют тромбозу.

Источники

• Коссель А. «О химическом составе клеточного ядра» (1884)
• Корнберг Р. «Структура хроматина: нуклеосома» (1974)
• Албертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки» (6-е издание, 2014)
• Льюин Б. «Гены» (11-е издание, 2014)
• Страйер Л. «Биохимия» (5-е издание, 2002)
• Обзорная статья: Kouzarides T. «Chromatin modifications and their function» (Cell, 2007)
• Обзорная статья: Allis C.D., Jenuwein T. «The molecular hallmarks of epigenetic control» (Nature Reviews Genetics, 2016)