5.12
לחלבוני ההיסטון יש זנב N-terminal גמיש המשתרע מהנוקלאוזום. זנבות היסטונים אלה נתונים לעתים קרובות לשינויים שלאחר תרגום כגון אצטילציה, מתילציה, זרחון ו…
נוקלאוזומים מכילים ליבת חלבון המורכבת מארבעה חלבוני ליבת היסטון: H2A, H2B, H3 ו-H4.
בנוסף לארבעת ההיסטונים הסטנדרטיים הללו, לאיקריוטים יש גם כמה גרסאות של כל היסטון, למעט H4.
זנבות האמינו-טרמינלים של תקן הליבה והיסטוני הליבה המשתנים בולטים מהנוקלאוזומים והם מאוד לא מובנים וניידים.
זנבות אלה, הכוללים כ-30 חומצות אמינו, נתונים למספר צורות של שינויים קוולנטיים כגון אצטילציה של ליזין, זרחן של סרינים ומונו-, די-או טרי-מתילציה של ליזין.
התגובות המובילות לשינויים אלה מזורזות על ידי אנזימים שונים כגון methyltransferases, acetylases, kinases. קבוצות אנזימים אלה מכונות באופן קולקטיבי 'הסופרים'.
התגובות שמזרזות את הסרת הקבוצות הכימיות האלה מזורזות על-ידי אנזימים כגון דמתילאזות, דאצטילאזות ופוספטאזות. אנזימים אלה מכונים באופן קולקטיבי 'המחקים'.
בין השילובים האפשריים הרבים של גרסאות היסטון שונות ושינויי קצה אמינו-טרמינליים, רק קבוצות מתואמות מסוימות ידועות להתרחש. חלק מקבוצות משולבות אלה של שינויים מקודדות אות ספציפי עבור התא.
לדוגמה, קבוצה אחת של שינויים מסמנת נזק לדנ"א ואת הצורך בתיקון. אחרים מאותתים על ביטוי גנים, בעוד שאחרים מאותתים על השתקת גנים או שינוי כרומטין כמו הקמה והתפשטות של הטרוכרומטין.
מערכת קידוד זו מכונה 'קוד היסטון'.
האותות המקודדים בשינויים אלה מפוענחים על ידי חלבוני בקרה ספציפיים הנקראים 'קוראים'. חלבונים וקומפלקסים רב-חלבוניים אלה מכילים תחומים קטנים שונים, שכל אחד מהם מזהה סימן היסטון מסוים.
הם נקשרים בחוזקה לאזור של כרומטין המכיל מספר סימני היסטון שונים ומושכים קומפלקסים חלבוניים נוספים עם פעילות קטליטית. זה מוביל לתפקודים ביולוגיים ספציפיים כגון שינויים בכרומטין, ביטוי גנים והשתקת גנים.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the four core histone proteins found in a nucleosome?
The nucleosome core contains four histone proteins: H2A, H2B, H3, and H4. These core histones form the protein octamer around which DNA wraps. In addition to these standard histones, eukaryotes possess variants of each histone type, except H4, which provide functional diversity in chromatin regulation and gene expression.
Q2: How do histone modifications affect DNA-histone interactions?
Histone acetylation increases negative charge on histones, weakening DNA-histone interactions and loosening chromatin structure, allowing greater DNA access. Conversely, methylation increases positive charge, strengthening DNA-histone affinity and promoting chromatin compaction. These opposing effects make acetylation associated with gene activation and methylation with gene silencing.
Q3: What is the histone code and how does it function?
The histone code is a system where coordinated sets of histone modifications encode specific cellular signals. Different modification combinations signal DNA damage, gene expression, gene silencing, or chromatin modifications. Regulatory proteins called readers recognize these marks, bind to chromatin regions, and recruit additional protein complexes to execute specific biological functions.
Q4: What enzymes catalyze histone modifications and their removal?
Writer enzymes like methyltransferases, acetylases, and kinases catalyze histone modifications including acetylation, methylation, and phosphorylation. Eraser enzymes such as demethylases, deacetylases, and phosphatases remove these modifications. This dynamic system allows cells to rapidly alter chromatin states and regulate gene expression in response to developmental and environmental signals.
Q5: Where are histone modifications located on the nucleosome?
Histone modifications occur on the amino-terminal tails of core histones, which protrude from the nucleosome and comprise approximately 30 amino acids. These highly unstructured and mobile tails are subjected to covalent modifications including acetylation of lysines, phosphorylation of serines, and mono-, di-, or tri-methylation of lysines.
Q6: How are histone modifications inherited through cell division?
Histone modifications are epigenetically inherited, meaning they are not genetically coded but faithfully passed to daughter cells during cell division as epigenetic memory. This inheritance of chromatin structures allows cells to maintain gene expression patterns and chromatin states across generations without changes to DNA sequence.
Q7: What is the relationship between histone acetylation and gene expression?
Acetylated histones are associated with active gene expression, while hypoacetylated histones correlate with gene repression. For example, the beta-globin gene in erythroid cells is associated with acetylated histones that increase its expression, whereas in non-erythroid cells where the gene is inactive, it associates with nonacetylated histones.