7.8
Histon proteinleri, nükleozomdan uzanan esnek bir N-terminal kuyruğuna sahiptir. Bu histon kuyrukları sıklıkla asetilasyon, metilasyon, fosforilasyon…
Nükleozom;H2A, H2B, H3 ve H4 olmak üzere dört histon çekirdek proteininden oluşan bir protein çekirdeği içerir. Bu dört standart çekirdek histona ek olarak, ökaryotlar ayrıca H4 hariç her histonun birkaç varyantına sahiptir. Standart ve varyant çekirdek histonlarının amino-terminal kuyrukları, nükleozomlardan çıkıntılıdır ve son derece düzensiz ve hareketlidir.
Yaklaşık 30 amino asitten oluşan bu kuyruklar;lizinlerin asetilasyonu, serinlerin fosfatlanması ve lizinlerin mono, di veya trimetilasyonu gibi çeşitli kovalent modifikasyonlara maruz kalır. Bu değişikliklere yol açan reaksiyonlar;metiltransferazlar, asetilazlar ve kinazlar gibi farklı enzimler tarafından katalize edilir. Bu enzim gruplarına topluca Yazıcılar denir.
Bu kimyasal grupların koparılmasını katalize eden reaksiyonlar;demetilazlar, deasetilazlar ve fosfatazlar gibi enzimler tarafından katalize edilir. Bu enzim gruplarına da topluca Siliciler denir. Farklı histon varyantları ve amino terminal uç modifikasyonlarının çok sayıda olası kombinasyonu arasında, sadece belirli koordinasyona sahip olanların gerçekleştiği bilinmektedir.
Bu birleşik modifikasyon gruplarından bazıları, hücre için belirli bir sinyali kodlar. Örneğin, bir modifikasyon grubu, DNA hasarı ve onarım ihtiyacı sinyalini verir. Bir diğeri gen ekspresyonunun sinyalini verirken, diğerleri heterokromatin'in yerleşmesi ve yayılmasındaki gibi, gen susturma veya kromatin modifikasyonu sinyali verir.
Bu kodlama sistemi, histon kodu olarak adlandırılır. Bu modifikasyonlarla kodlanan sinyallerin kodu, Okuyucular adı verilen belirli düzenleyici proteinler tarafından çözülür. Bu proteinler ve çok proteinli kompleksler, her biri belirli bir histon işaretini tanıyan, birçok küçük bölge içerir.
Bu bölgeler, kromatinin birçok farklı histon işareti içeren bir bölgesine sıkıca bağlanırlar ve katalitik aktivitelerle başka protein komplekslerini de çekerler. Bu, kromatin modifikasyonları, gen ekspresyasyonu ve gen susturma gibi spesifik biyolojik işlevleri sonuç verir.
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.