5.12
Białka histonowe mają elastyczny N-końcowy ogon wystający z nukleosomu. Te ogony histonowe są często poddawane modyfikacjom potranslacyjnym, takim jak…
Nukleosom zawiera rdzeń białkowy, który składa się z czterech białek rdzenia histonowego: H2A, H2B, H3 i H4.
Oprócz tych czterech standardowych histonów rdzeniowych, eukarionty posiadają również kilka wariantów każdego histonu, z wyjątkiem H4.
Ogony aminokońcowe rdzenia wzorcowego i wariantowego histonów rdzenia wystają z nukleosomów i są wysoce nieustrukturyzowane i mobilne.
Ogony te, składające się z około 30 aminokwasów, są poddawane kilku formom modyfikacji kowalencyjnych, takich jak acetylacja lizyn, fosforylacja seryn oraz mono-, di- lub trimetylacja lizyn.
Reakcje, które prowadzą do tych modyfikacji, są katalizowane przez różne enzymy, takie jak metylotransferazy, acetylazy, kinazy. Te grupy enzymów są zbiorczo określane jako "pisarze".
Reakcje, które katalizują usuwanie tych grup chemicznych, są katalizowane przez enzymy, takie jak demetylazy, deacetylazy i fosfatazy. Enzymy te są zbiorczo określane jako "gumki".
Wśród licznych możliwych kombinacji różnych wariantów histonów i modyfikacji końców aminokońcowych znane są tylko niektóre skoordynowane zestawy. Niektóre z tych połączonych zestawów modyfikacji kodują określony sygnał dla komórki.
Na przykład jeden zestaw modyfikacji sygnalizuje uszkodzenie DNA i potrzebę naprawy. Inny sygnalizuje ekspresję genu, podczas gdy inne sygnalizują wyciszenie genów lub modyfikację chromatyny, takie jak ustanowienie i rozprzestrzenianie się heterochromatyny.
Ten system kodowania jest określany jako "kod histonowy".
Sygnały zakodowane w tych modyfikacjach są dekodowane przez specyficzne białka regulatorowe zwane "czytnikami". Te białka i kompleksy wielobiałkowe zawierają różne małe domeny, z których każda rozpoznaje określony znacznik histonowy.
Wiążą się ściśle z regionem chromatyny, który zawiera kilka różnych znaczników histonowych i przyciągają dodatkowe kompleksy białkowe o działaniu katalitycznym. Prowadzi to do określonych funkcji biologicznych, takich jak modyfikacje chromatyny, ekspresja genów i wyciszanie genów.
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.