Гистоны

Гистоны — это семейство высококонсервативных ядерных белков, которые выполняют структурную и регуляторную функции в упаковке и организации эукариотической ДНК. Они являются основными белковыми компонентами хроматина, образуя нуклеосомы — фундаментальные единицы компактизации генетического материала. Гистоны характеризуются высоким содержанием положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина), что обеспечивает их прочное связывание с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК.

История открытия

Первые упоминания о гистонах относятся к концу XIX века, когда немецкий биохимик Альбрехт Коссель в 1884 году выделил из эритроцитов гусей основные белковые фракции, позже идентифицированные как гистоны. Коссель также открыл гистамин и получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1910 году. В 1950-х годах, с развитием электронной микроскопии, было установлено, что гистоны образуют структуры, напоминающие «бусины на нитке», которые впоследствии назвали нуклеосомами. Ключевой вклад в понимание структуры хроматина внесла работа Роджера Корнберга, который в 1974 году предложил модель нуклеосомы, состоящей из октамера гистонов, вокруг которого обернута ДНК. За эти исследования Корнберг получил Нобелевскую премию по химии в 2006 году.

Классификация гистонов

Гистоны делятся на пять основных типов, которые различаются по молекулярной массе, аминокислотному составу и функциям:

• H1 (линкерный гистон) — самый крупный гистон, расположенный между нуклеосомами. Он связывается с линкерной ДНК (участком между нуклеосомами) и способствует дальнейшей компактизации хроматина, стабилизируя структуру более высокого порядка.
• H2A, H2B, H3 и H4 (коровые гистоны) — образуют октамерный комплекс, вокруг которого оборачивается ДНК. Каждая нуклеосома содержит по две копии каждого из этих гистонов. H3 и H4 являются наиболее консервативными среди всех гистонов, что подчеркивает их фундаментальную роль в эволюции.

Кроме основных типов, существуют вариантные гистоны, которые заменяют канонические гистоны в определенных условиях или в специализированных клетках. Например, гистон H3.3 участвует в активной транскрипции, H2A.X — в репарации ДНК, а CENP-A (вариант H3) — в формировании центромер.

Структура и упаковка ДНК

Гистоны обеспечивают иерархическую упаковку ДНК в ядре эукариотической клетки. Процесс компактизации включает несколько уровней:

Нуклеосома

Основная единица хроматина — нуклеосома, состоящая из октамера коровых гистонов (две молекулы H2A, H2B, H3 и H4), вокруг которого обернуто 147 пар оснований ДНК (1,65 витка). ДНК связывается с гистонами за счет электростатических взаимодействий и водородных связей. Линкерный гистон H1 фиксирует ДНК на входе и выходе из нуклеосомы.

Хроматиновая фибрилла

Нуклеосомы соединены линкерной ДНК (от 20 до 80 пар оснований) и образуют структуру, напоминающую «бусины на нитке» диаметром около 10 нм. Эта фибрилла является первым уровнем компактизации.

30-нанометровая фибрилла

При участии гистона H1 и других белков нуклеосомы укладываются в спиральную структуру диаметром 30 нм. Существуют две основные модели такой укладки: соленоидная (однозаходная спираль) и зигзагообразная (двухзаходная спираль). В настоящее время ведутся споры о том, существует ли 30-нм фибрилла in vivo в клетках млекопитающих, или она является артефактом in vitro.

Более высокие уровни

Дальнейшая компактизация включает образование петель, доменов и, в конечном итоге, хромосом. Гистоны играют ключевую роль в поддержании этих структур, особенно в процессе митоза и мейоза.

Посттрансляционные модификации гистонов

Гистоны подвергаются разнообразным химическим модификациям, которые регулируют структуру хроматина и экспрессию генов. Эти модификации происходят в основном на N-концевых «хвостах» гистонов, выступающих из нуклеосомы. Основные типы модификаций:

• Ацетилирование — добавление ацетильной группы к лизину. Нейтрализует положительный заряд гистона, ослабляя его связь с ДНК, что способствует открытой структуре хроматина (эухроматину) и активации транскрипции.
• Метилирование — добавление метильной группы к лизину или аргинину. Может как активировать, так и подавлять транскрипцию в зависимости от контекста (например, триметилирование H3K4 связано с активными генами, а триметилирование H3K9 — с гетерохроматином).
• Фосфорилирование — добавление фосфатной группы к серину или треонину. Участвует в регуляции клеточного цикла, репарации ДНК и конденсации хромосом.
• Убиквитинирование — присоединение убиквитина к лизину. Регулирует репарацию ДНК и транскрипцию.
• Сумаилирование — добавление SUMO-белка (Small Ubiquitin-like Modifier). Влияет на транскрипцию и репарацию.

Эти модификации образуют так называемый «гистоновый код», который считывается эффекторными белками и определяет функциональное состояние хроматина. Нарушения в гистоновом коде связаны с различными заболеваниями, включая рак.

Функции гистонов

Помимо структурной роли, гистоны выполняют ряд критических функций:

• Регуляция экспрессии генов — через модификации и взаимодействие с транскрипционными факторами гистоны контролируют доступность ДНК для РНК-полимеразы.
• Репарация ДНК — гистоны участвуют в распознавании и восстановлении повреждений ДНК, например, через фосфорилирование H2A.X (γH2AX) в местах двуцепочечных разрывов.
• Репликация ДНК — во время репликации гистоны временно отсоединяются и перераспределяются между дочерними молекулами ДНК.
• Формирование гетерохроматина — гистоны, особенно H3, модифицированные метилированием (H3K9me3), способствуют конденсации хроматина в транскрипционно неактивные области.
• Клеточное деление — гистоны обеспечивают правильную конденсацию хромосом и их сегрегацию в митозе и мейозе.

Гистоны и болезни

Нарушения в структуре, модификациях или экспрессии гистонов связаны с рядом патологий:

• Рак — мутации в генах гистонов (например, в H3.3 при глиобластомах) или дисрегуляция гистон-модифицирующих ферментов (например, деацетилаз гистонов) приводят к аномальной экспрессии онкогенов и супрессоров опухоли.
• Воспалительные заболевания — изменения в ацетилировании гистонов связаны с хроническим воспалением при ревматоидном артрите и астме.
• Неврологические расстройства — мутации в гистоновых генах или их модификаторах ассоциированы с болезнью Альцгеймера, шизофренией и аутизмом.
• Наследственные заболевания — например, синдром Видемана-Штейнера (мутация в гене гистона H3.3) характеризуется задержкой развития и умственной отсталостью.

Интересные факты

• Гистоны являются одними из самых консервативных белков в эволюции. Например, гистон H4 человека и гороха различаются всего двумя аминокислотами из 102.
• В клетках млекопитающих гистоны синтезируются в основном в S-фазе клеточного цикла, когда происходит репликация ДНК. Однако вариантные гистоны могут синтезироваться в любое время.
• Антитела к гистонам часто обнаруживаются при аутоиммунных заболеваниях, таких как системная красная волчанка, что используется в диагностике.
• Некоторые вирусы, включая герпесвирусы, используют гистоны хозяина для упаковки своей ДНК, что помогает им избегать иммунного ответа.

Источники

• Alberts B., Johnson A., Lewis J. et al. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. — Garland Science, 2014.
• Kornberg R.D. Chromatin structure: a repeating unit of histones and DNA // Science. — 1974. — Vol. 184, № 4139. — P. 868–871.
• Luger K., Mäder A.W., Richmond R.K. et al. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution // Nature. — 1997. — Vol. 389, № 6648. — P. 251–260.
• Strahl B.D., Allis C.D. The language of covalent histone modifications // Nature. — 2000. — Vol. 403, № 6765. — P. 41–45.
• Jenuwein T., Allis C.D. Translating the histone code // Science. — 2001. — Vol. 293, № 5532. — P. 1074–1080.
• Kouzarides T. Chromatin modifications and their function // Cell. — 2007. — Vol. 128, № 4. — P. 693–705.
• Тарантул В.З. Геном человека: энциклопедия, написанная четырьмя буквами. — М.: Языки славянской культуры, 2003.