7.8
Модификация гистона
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 histones and what role do they play in DNA organization?
Histones are small, positively charged proteins around which DNA wraps to form nucleosomes, the basic units of chromatin. They enable efficient packaging of DNA into the nucleus while regulating gene expression. Histone modifications alter chromatin structure, controlling DNA accessibility and transcriptional activity without changing the underlying DNA sequence.
Q2: How do histone modifications affect chromatin structure and gene accessibility?
Histone modifications, such as acetylation and methylation, alter the charge and structure of histones, loosening or tightening DNA wrapping. These changes regulate chromatin compaction, making DNA more or less accessible to transcription machinery. Modified histones can promote euchromatin formation, allowing gene expression, or contribute to heterochromatin formation, silencing genes.
Q3: What is the difference between histone acetylation and histone methylation?
Histone acetylation adds acetyl groups to lysine residues, neutralizing positive charges and loosening DNA binding, typically activating transcription. Histone methylation adds methyl groups to lysine or arginine residues without changing charge, serving diverse regulatory roles—some methylation marks activate genes while others repress them, depending on the specific residue modified.
Q4: Why are histone modifications considered epigenetic changes?
Histone modifications are epigenetic because they alter gene expression without changing DNA sequence. These reversible chemical modifications can be inherited through cell divisions and sometimes across generations, influencing which genes are active or silent. They provide a flexible mechanism for cells to respond to environmental signals and developmental cues.
Q5: How do histone modifications regulate transcriptional activation and repression?
Histone modifications recruit specific proteins that either promote or inhibit transcription. Activating modifications like H3K9 acetylation attract transcription factors and RNA polymerase, facilitating gene expression. Repressive modifications like H3K9 methylation recruit silencing complexes that compact chromatin, blocking transcriptional machinery access and preventing gene expression.
Q6: What enzymes are responsible for adding and removing histone modifications?
Histone acetyltransferases (HATs) add acetyl groups, while histone deacetylases (HDACs) remove them. Histone methyltransferases (HMTs) add methyl groups, and histone demethylases remove them. These opposing enzyme activities create a dynamic system where histone modification states can be rapidly altered, allowing cells to quickly adjust gene expression in response to signals.
Q7: How do histone modifications influence constitutive heterochromatin and facultative heterochromatin formation?
Specific histone modifications direct chromatin into different states. Repressive modifications establish and maintain constitutive heterochromatin and facultative heterochromatin, silencing genes permanently or conditionally. Activating modifications promote open chromatin, allowing gene expression. The pattern of histone modifications across a region determines whether that chromatin remains condensed or becomes accessible.