5.12
Модификация гистонов
Гистоновые белки имеют гибкий N-концевой хвост, отходящий от нуклеосомы. Эти хвосты гистонов часто подвергаются посттрансляционным модификациям, таким…
Нуклеосома содержит белковое ядро, в которое входит в комплект из четырех гистонов ядерных белков H2A, H2B, H3 И H4.Помимо этих четырех стандартных гистонов ядра, у эукариот также есть несколько вариантов каждого гистона, за исключением H4.Амино-терминальные хвосты стандартных и дополнительных ядерных гистонов выступают из нуклеосом, и существенно неструктурированы и мобильны. Эти хвосты, состоящие из примерно 30-ти аминокислот, подвергаются нескольким формам ковалентных модификаций, например, ацетилированию лизинов, фосфорилированию серинов и моно, ди, или триметилированию лизинов. Реакции, которые приводят к этим изменениям, катализируются различными ферментами, такими, как метилтрансферазы, ацетилазы и киназы.
Эти группы энзимов в комплексе называются райтеры"Реакции, которые катализируют удаление этих химических групп, катализируются ферментами, такими как демэтилазы, деацетилазы и фосфатазы. Эти ферменты являются вместе называются эрейзерами"Среди многочисленных возможных комбинаций различных вариантов модификаций гистонов и амино-терминальных концов, встречаются только определенно скоординированные наборы. Некоторые из комбинированных наборов изменений кодируют определенный сигнал для клетки.
Например, один набор изменений сигнализирует о повреждении ДНК и необходимости ремонта. Другой сигнализирует о выражении гена, в то время как другие сигнализируют об выключении гена или изменении хроматина, как установление и распространение гетерохроматина. Эта система кодирования называется гистонным кодом.
Сигналы, закодированные в этих изменениях, расшифровываются специальными регуляторными белками, которые называются ридеры"Эти белки и мультибелковые комплексы содержат различные мелкие домены, каждый из которых признает отметку конкретного гистона. Они тесно связаны с областью хроматина, которая содержит несколько различные меток гистона, и привлекают дополнительные белковые комплексы с каталитической активностью. Это приводит к конкретным биологическим функциям, например, изменению хроматина, экспрессии генов и выключению генов.
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.