5.12
ヒストンタンパク質は、ヌクレオソームから伸びる柔軟なN末端尾部を持っています。これらのヒストン尾部は、アセチル化、メチル化、リン酸化、ユビキチン化などの翻訳後修飾を受けることがよくあります。これらの修飾の特定の組み合わせは、クロマチンのフォールディングと組織特異的な遺伝子発現に影響を与える「ヒストン…
ヌクレオソームには、H2A、H2B、H3、H4の4つのヒストンコアタンパク質で構成されるタンパク質コアが含まれています。
これら4つの標準的なコアヒストンに加えて、真核生物はH4を除いて、各ヒストンのいくつかの変種も持っています。
コアスタンダードヒストンとバリアントコアヒストンのアミノ末端テールはヌクレオソームから突出しており、高度に非構造化で可動性があります。
これらの尾部は、約30種類のアミノ酸からなり、リジンのアセチル化、セリンのリン酸化、リジンのモノメチル化、ジメチル化、トリメチル化など、いくつかの形態の共有結合修飾を受けます。
これらの修飾につながる反応は、メチルトランスフェラーゼ、アセチル化酵素、キナーゼなどのさまざまな酵素によって触媒されます。これらの酵素群は、総称して「ライター」と呼ばれます。
これらの化学基の除去を触媒する反応は、脱メチル化酵素、脱アセチル化酵素、ホスファターゼなどの酵素によって触媒されます。これらの酵素は、総称して「消しゴム」と呼ばれます。
さまざまなヒストン変異体とアミノ末端修飾の多数の可能な組み合わせの中で、特定の配位セットのみが発生することが知られています。これらの修飾の組み合わせセットの一部は、細胞の特定のシグナルをコードします。
例えば、1セットの修飾は、DNAの損傷と修復の必要性を示しています。別のものは遺伝子発現をシグナルし、他のものはヘテロクロマチンの確立と拡散のような遺伝子サイレンシングまたはクロマチン修飾をシグナルします。
この符号化方式は「ヒストンコード」と呼ばれます。
これらのタンパク質とマルチタンパク質複合体には、さまざまな小さなドメインが含まれており、それぞれが特定のヒストンマークを認識しています。
それらは、いくつかの異なるヒストンマークを含むクロマチンの領域にしっかりと結合し、触媒活性を持つ追加のタンパク質複合体を引き付けます。これは、クロマチン修飾、遺伝子発現、遺伝子サイレンシングなどの特定の生物学的機能につながります。
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.