5.12:

5.12: Histon-Modifikation

Name: Histon-Modifikation
Uploaded: 2020-11-23T11:47:35+00:00
Duration: 2 min 32 s
Description: The histone proteins have a flexible N-terminal tail extending out from the nucleosome. These histone tails are often subjected to post-translational modifications such as acetylation, methylation, ph

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Histone Modification

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November 23, 2020

The histone proteins have a flexible N-terminal tail extending out from the nucleosome. These histone tails are often subjected to post-translational modifications such as acetylation, methylation, phosphorylation, and ubiquitination. Particular combinations of these modifications form “histone codes” that influence the chromatin folding and tissue-specific gene expression.

Acetylation

The enzyme histone acetyltransferase adds acetyl group to the histones. Another enzyme, histone deacetylase, removes the acetyl group from acetylated histones. The lysine amino acids at position 4 and 9 of N-terminal histone tail are often acetylated and deacetylated. Acetylation increases the negative charge of histones. This weakens the DNA-histone interaction resulting in loosening of chromatin and increased access to DNA. For example, in the erythroid cells, beta-globin gene is associated with acetylated histones that increase its expression. In non-erythroid cells where the gene is inactive, it is found to be associated with nonacetylated histones.

Methylation

The histone tails at the lysine 9 position of histone H3 can be di- or tri-methylated by enzyme histone methyltransferase. This methylation can initiate the binding of nonhistone proteins and increase chromatin compaction. Methylation increases the positive charge on the histones, resulting in increased affinity between negatively charged DNA and histones and higher chromatin compaction. Repressed chromatin, also known as heterochromatin, is highly methylated.

Summary table of histone modifications and their effect on gene expression

Histone modification	Effect on gene expression
Acetylated lysine	Activation
Hypoacetylated lysine	Repression
Phosphorylated serine/threonine	Activation
Methylated arginine	Activation
Methylated lysine	Repression
Ubiquitinylated lysine	Activation/Repression

The histone codes or modifications are epigenetically inherited, meaning these modifications are not genetically coded. Hence, these modifications are faithfully passed on to the next cell during each cell division as an epigenetic memory.

Transcript

Ein Nukleosom enthält einen Proteinkern, der aus vier Histonkernproteinen besteht: H2A, H2B, H3 und H4.

Zusätzlich zu diesen vier Standard-Kernhistonen besitzen Eukaryoten auch einige Varianten jedes Histons, mit Ausnahme von H4.

Die aminoterminalen Schwänze der Kern-Standard- und Varianten-Kern-Histone ragen aus den Nukleosomen heraus und sind stark unstrukturiert und beweglich.

Diese Schwänze, die aus etwa 30 Aminosäuren bestehen, werden verschiedenen Formen kovalenter Modifikationen unterzogen, wie z. B. der Acetylierung von Lysinen, der Phosphorylierung von Serinen und der Mono-, Di- oder Trimethylierung von Lysinen.

Die Reaktionen, die zu diesen Modifikationen führen, werden durch verschiedene Enzyme wie Methyltransferasen, Acetylasen und Kinasen katalysiert. Diese Gruppen von Enzymen werden zusammenfassend als “Schreiber” bezeichnet.

Die Reaktionen, die die Entfernung dieser chemischen Gruppen katalysieren, werden durch Enzyme wie Demethylasen, Deacetylasen und Phosphatasen katalysiert. Diese Enzyme werden zusammenfassend als “Radiergummis” bezeichnet.

Unter den zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Histonvarianten und aminoterminaler Endmodifikationen sind nur bestimmte koordinierte Sätze bekannt. Einige dieser kombinierten Modifikationssätze kodieren ein spezifisches Signal für die Zelle.

Zum Beispiel signalisiert eine Reihe von Modifikationen DNA-Schäden und die Notwendigkeit einer Reparatur. Ein anderes signalisiert die Genexpression, während andere das Gen-Silencing oder die Chromatinmodifikation signalisieren, wie die Etablierung und Ausbreitung von Heterochromatin.

Dieses Codierungssystem wird als “Histon-Code” bezeichnet.

Die Signale, die in diesen Modifikationen kodiert sind, werden von spezifischen regulatorischen Proteinen, den sogenannten “Readern”, entschlüsselt. Diese Proteine und Multiproteinkomplexe enthalten verschiedene kleine Domänen, von denen jede eine bestimmte Histonmarkierung erkennt.

Sie binden fest an eine Region des Chromatins, die mehrere verschiedene Histonmarkierungen enthält, und ziehen zusätzliche Proteinkomplexe mit katalytischen Aktivitäten an. Dies führt zu spezifischen biologischen Funktionen wie Chromatinmodifikationen, Genexpression und Gen-Silencing.