stringtranslate.com

Гистоновый октамер

Основные единицы структуры хроматина

В молекулярной биологии гистоновый октамер — это восьмибелковый комплекс , находящийся в центре частицы ядра нуклеосомы . Он состоит из двух копий каждого из четырех основных гистоновых белков ( H2A , H2B , H3 и H4 ). Октамер собирается, когда тетрамер , содержащий две копии H3 и две копии H4, образует комплексы с двумя димерами H2A/H2B. Каждый гистон имеет как N-концевой хвост, так и C-концевую гистоновую складку. Каждый из этих ключевых компонентов взаимодействует с ДНК по-своему посредством серии слабых взаимодействий, включая водородные связи и солевые мостики . Эти взаимодействия удерживают ДНК и гистоновый октамер в слабо связанном состоянии и в конечном итоге позволяют им перепозиционироваться или полностью разделиться.

История исследования

Посттрансляционные модификации гистонов были впервые идентифицированы и перечислены как имеющие потенциальную регуляторную роль в синтезе РНК в 1964 году. [1] С тех пор, в течение нескольких десятилетий, теория хроматина развивалась. Модели субъединиц хроматина, а также понятие нуклеосомы были созданы в 1973 и 1974 годах соответственно. [2] Ричмонд и его исследовательская группа смогли выяснить кристаллическую структуру октамера гистона с ДНК, обернутой вокруг него, с разрешением 7 Å в 1984 году. [3] Структура октамерного комплекса ядра была пересмотрена семь лет спустя, и разрешение 3,1 Å было выяснено для его кристалла при высокой концентрации соли. Хотя сходство последовательностей между гистонами ядра невелико, каждый из четырех имеет повторяющийся элемент, состоящий из спирали-петли-спирали, называемый мотивом складки гистона . [4] Более того, детали взаимодействий белок-белок и белок-ДНК были точно определены с помощью рентгеновской кристаллографии при 2,8 и 1,9 Å соответственно в 2000-х годах. [5]

Гистоновый октамер в молекулярных деталях

Основные гистоны — это четыре белка, называемые H2A, H2B, H3 и H4, и все они встречаются в клетке в равных частях. Все четыре аминокислотные последовательности основных гистонов содержат от 20 до 24% лизина и аргинина , а размер белка варьируется от 11400 до 15400 дальтон, что делает их относительно небольшими, но при этом высоко положительно заряженными белками. [6] Высокое содержание положительно заряженных аминокислот позволяет им тесно связываться с отрицательно заряженной ДНК . Гетеродимеры, или промежуточные продукты, состоящие только из гистонов, образуются из доменов гистоновых складок. Образование промежуточных продуктов, состоящих только из гистонов, происходит, когда основные гистоны спариваются в квазисимметричный гетеродимер в форме взаимосвязанного полумесяца. Каждый домен гистоновой складчатости состоит из 3 областей α-спирали , которые разделены неупорядоченными петлями. Домен гистоновой складки отвечает за образование гетеродимеров голова-к-хвосту двух гистонов: H2A-H2B и H3-H4. Однако гистоны H3 и H4 сначала образуют гетеродимер, а затем, в свою очередь, гетеродимер димеризуется, образуя тетрамер (H3-H4) 2 . [7] Образование гетеродимера основано на взаимодействии гидрофобных аминокислотных остатков между двумя белками. [7]

Квазисимметрия позволяет гетеродимеру накладываться на себя путем поворота на 180 градусов вокруг этой оси симметрии. В результате поворота два конца гистонов, участвующих в связывании ДНК в форме полумесяца H3-H4, эквивалентны, однако они организуют разные участки ДНК. Димер H2A-H2B также сворачивается аналогичным образом. Тетрамер (H3-H4) 2 оборачивается вокруг себя ДНК в качестве первого шага формирования нуклеосомы. Затем два димера H2A-H2B соединяются с комплексом ДНК-(H3-H4) 2 , образуя нуклеосому. [8]

Каждый из четырех основных гистонов, в дополнение к своим доменам гистоновой складки, также содержит гибкие неструктурированные расширения, называемые «хвостами» гистонов . [9] Обработка нуклеосом протеазой трипсином показывает, что после удаления хвостов гистонов ДНК способна оставаться прочно связанной с нуклеосомой. [6] Хвосты гистонов подвергаются широкому спектру модификаций, которые включают фосфорилирование , ацетилирование и метилирование остатков серина, лизина и аргинина. [6]

Гистоновый октамер в нуклеосоме

Сборка нуклеосом
Нуклеосома собирается, когда ДНК оборачивается вокруг гистонового октамера, два димера H2A-H2B связаны с тетрамером H3-H4.

Частица ядра нуклеосомы является самой базовой формой уплотнения ДНК у эукариот . Нуклеосомы состоят из гистонового октамера, окруженного 146 парами оснований ДНК, обернутыми суперспиральным образом. [10] Помимо уплотнения ДНК, гистоновый октамер играет ключевую роль в транскрипции окружающей его ДНК. Гистоновый октамер взаимодействует с ДНК как через свои основные гистоновые складки, так и через N-концевые хвосты. Гистоновая складка химически и физически взаимодействует с малой бороздкой ДНК . Исследования показали, что гистоны взаимодействуют более благоприятно с обогащенными A : T областями, чем с обогащенными G : C областями в малых бороздках. [6] N-концевые хвосты не взаимодействуют с определенной областью ДНК, а скорее стабилизируют и направляют ДНК, обернутую вокруг октамера. Однако взаимодействия между гистоновым октамером и ДНК не являются постоянными. Их можно довольно легко разделить, и часто это происходит во время репликации и транскрипции . Специфические ремоделирующие белки постоянно изменяют структуру хроматина, разрывая связи между ДНК и нуклеосомой.

Взаимодействие гистонов и ДНК

Гистоны состоят в основном из положительно заряженных аминокислотных остатков, таких как лизин и аргинин . Положительные заряды позволяют им тесно связываться с отрицательно заряженной ДНК посредством электростатических взаимодействий. Нейтрализация зарядов в ДНК позволяет ей стать более плотно упакованной. [6]

Взаимодействие с минорной канавкой

Взаимодействие доменов гистоновой складки с малой бороздкой составляет большую часть взаимодействий в нуклеосоме. [11] Когда ДНК оборачивается вокруг гистонового октамера, она выставляет свою малую бороздку на гистоновый октамер в 14 различных местах. В этих местах они взаимодействуют посредством серии слабых нековалентных связей. Основным источником связей являются водородные связи, как прямые, так и опосредованные водой. [10] Водородные связи гистоновой складки как с фосфодиэфирным остовом, так и с богатыми A:T основаниями. В этих взаимодействиях гистоновая складка связывается с атомами кислорода и боковыми гидроксильными цепями соответственно. [11] Вместе эти сайты имеют в общей сложности около 40 водородных связей, большинство из которых возникают в результате взаимодействий с основной цепью. [6] Кроме того, в 10 из 14 случаев, когда малая бороздка обращена к гистоновой складке, аргининовая боковая цепь из гистоновой складки вставляется в малую бороздку. В остальных четырех случаях аргинин поступает из хвостовой части гистона. [11]

Взаимодействие и модификации хвоста

Как упоминалось выше, было показано, что хвосты гистонов напрямую взаимодействуют с ДНК нуклеосомы. Каждый гистон в октамере имеет N-концевой хвост, который выступает из ядра гистона. Хвосты играют роль как в межнуклеосомных, так и в внутринуклеосомных взаимодействиях, которые в конечном итоге влияют на доступ к генам. [12] Гистоны — это положительно заряженные молекулы, которые обеспечивают более тесную связь с отрицательно заряженной молекулой ДНК. Уменьшение положительного заряда гистоновых белков снижает прочность связи между гистоном и ДНК, делая ее более открытой для транскрипции (экспрессии) гена. [12] Более того, эти гибкие единицы направляют обертывание ДНК в левостороннем порядке вокруг гистонового октамера во время образования нуклеосомы. [6] После того, как ДНК связана, хвосты продолжают взаимодействовать с ДНК. Части хвоста, наиболее близкие к водородной связи ДНК, усиливают связь ДНК с октамером; однако части хвоста, наиболее удаленные от ДНК, работают совершенно иначе. Клеточные ферменты модифицируют аминокислоты в дистальных отделах хвоста, чтобы повлиять на доступность ДНК. Хвосты также участвуют в стабилизации 30-нм волокон. Исследования показали, что удаление определенных хвостов препятствует правильному формированию нуклеосом и общей неспособности производить хроматиновые волокна. [12] В целом, эти ассоциации защищают нуклеосомную ДНК от внешней среды, но также снижают ее доступность для клеточной репликации и транскрипционного аппарата.

Ремоделирование и разборка нуклеосом

Чтобы получить доступ к нуклеосомной ДНК, связи между ней и гистоновым октамером должны быть разорваны. Это изменение периодически происходит в клетке по мере транскрибирования определенных областей, и это происходит по всему геному во время репликации. Ремоделирующие белки работают тремя различными способами: они могут скользить ДНК по поверхности октамера, заменять один гистоновый димер вариантом или полностью удалять гистоновый октамер. Независимо от метода, для модификации нуклеосом комплексы ремоделирования требуют энергии от гидролиза АТФ для управления своими действиями.

Из трех методов скольжение является наиболее распространенным и наименее экстремальным. [13] Основная предпосылка метода заключается в освобождении области ДНК, которую гистоновый октамер обычно прочно связывает. Хотя метод не очень хорошо определен, наиболее известная гипотеза заключается в том, что скольжение осуществляется по принципу «гусеничного червя». В этом методе, используя АТФ в качестве источника энергии, транслоказный домен комплекса ремоделирования нуклеосомы отсоединяет небольшую область ДНК от гистонового октамера. Эта «волна» ДНК, спонтанно разрывая и восстанавливая водородные связи по мере своего продвижения, затем распространяется по нуклеосомной ДНК, пока не достигнет последнего места связывания с гистоновым октамером. Как только волна достигает конца гистонового октамера, избыток, который когда-то был на краю, распространяется в область линкерной ДНК. В общей сложности один раунд этого метода перемещает гистоновый октамер на несколько пар оснований в определенном направлении — от направления, в котором распространялась «волна». [6] [14]

Клиническая значимость

Многочисленные отчеты показывают связь между возрастными заболеваниями, врожденными дефектами и несколькими типами рака с нарушением определенных посттрансляционных модификаций гистонов. Исследования выявили, что N- и C-концевые хвосты являются основными мишенями для ацетилирования, метилирования, убиквитинирования и фосфорилирования. [15] Новые данные указывают на несколько модификаций в ядре гистонов. Исследования направлены на расшифровку роли этих модификаций ядра гистонов на интерфейсе гистон-ДНК в хроматине. p300 и белок, связывающий элемент ответа цАМФ ( CBP ), обладают активностью ацетилтрансферазы гистонов . p300 и CBP являются наиболее беспорядочными ферментами ацетилтрансферазы гистонов, ацетилирующими все четыре основных гистона по нескольким остаткам. [16] Лизин 18 и лизин 27 на H3 были единственными сайтами ацетилирования гистонов, которые были уменьшены при истощении CBP и p300 в эмбриональных фибробластах мышей. [17] Кроме того, мыши с нокаутом генов CBP и p300 имеют дефект открытой нервной трубки и поэтому умирают до рождения. Эмбрионы p300−/− демонстрируют дефектное развитие сердца. Мыши CBP+/− демонстрируют задержку роста, краниофациальные аномалии, гематологические злокачественные новообразования, которые не наблюдаются у мышей с p300+/−. [18] Мутации обоих генов p300 были зарегистрированы в опухолях человека, таких как колоректальный, желудочный, рак молочной железы, яичников, легких и поджелудочной железы. Кроме того, активация или локализация двух гистонацетилтрансфераз может быть онкогенной.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Allfrey, VG; Mirsky, AE (1 мая 1964 г.). «Структурные модификации гистонов и их возможная роль в регуляции синтеза РНК». Science . 144 (3618): 559. doi :10.1126/science.144.3618.559. PMID  17836360.
  2. ^ Хьюиш, Дин Р.; Бергойн, Ли А. (1973). «Субструктура хроматина. Переваривание хроматиновой ДНК в регулярно расположенных участках ядерной дезоксирибонуклеазой». Biochem. Biophys. Res. Commun . 52 (2): 504–510. doi :10.1016/0006-291x(73)90740-7. PMID  4711166.
  3. ^ Клуг; Ричмонд (1984). «Структура частицы ядра нуклеосомы при разрешении 7 Å». Nature . 311 (5986): 532–537. Bibcode :1984Natur.311..532R. doi :10.1038/311532a0. PMID  6482966. S2CID  4355982.
  4. ^ Arents; Burlingame (1991). «Нуклеосомный гистоновый октамер с разрешением 3,1 ˚A: трехкомпонентная белковая сборка и левосторонняя суперспираль». PNAS . 88 (22): 10148–52. Bibcode :1991PNAS...8810148A. doi : 10.1073/pnas.88.22.10148 . PMC 52885 . PMID  1946434. 
  5. ^ Дэви, Курт А.; Сарджент, Дэвид Ф.; Люгер, Каролин; Мейдер, Армин В.; Ричмонд, Тимоти Дж. (июнь 2002 г.). «Взаимодействия, опосредованные растворителем, в структуре частицы ядра нуклеосомы при разрешении 1,9Å». Журнал молекулярной биологии . 319 (5): 1097–1113. doi :10.1016/S0022-2836(02)00386-8. PMID  12079350.
  6. ^ abcdefgh School, James D. Watson, Cold Spring Harbor Laboratory, Tania A. Baker, Massachusetts Institute of Technology, Stephen P. Bell, Massachusetts Institute of Technology, Alexander Gann, Cold Spring Harbor Laboratory, Michael Levine, University of California, Berkeley, Richard Losik, Harvard University; совместно со Stephen C. Harrison, Harvard Medical (2014). Молекулярная биология гена (седьмое изд.). Бостон: Benjamin-Cummings Publishing Company. стр. 241. ISBN 978-0321762436.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ ab Luger, Karolin (апрель 2003 г.). «Структура и динамическое поведение нуклеосом». Current Opinion in Genetics & Development . 13 (2): 127–135. doi :10.1016/S0959-437X(03)00026-1. PMID  12672489.
  8. ^ D'Arcy, Sheena; Martin, Kyle W.; Panchenko, Tanya; Chen, Xu; Bergeron, Serge; Stargell, Laurie A.; Black, Ben E.; Luger, Karolin (сентябрь 2013 г.). «Шаперон Nap1 защищает поверхности гистонов, используемые в нуклеосоме, и может помещать H2A-H2B в нетрадиционную тетрамерную форму». Molecular Cell . 51 (5): 662–677. doi :10.1016/j.molcel.2013.07.015. PMC 3878309 . PMID  23973327. 
  9. ^ Harshman, SW; Young, NL; Parthun, MR; Freitas, MA (14 августа 2013 г.). «H1-гистоны: текущие перспективы и проблемы». Nucleic Acids Research . 41 (21): 9593–9609. doi :10.1093/nar/gkt700. PMC 3834806. PMID  23945933 . 
  10. ^ ab Andrews, Andrew J.; Luger, Karolin (9 июня 2011 г.). «Структура(ы) и стабильность нуклеосом: вариации на тему». Annual Review of Biophysics . 40 (1): 99–117. doi :10.1146/annurev-biophys-042910-155329. PMID  21332355.
  11. ^ abc Richmond, Timothy J.; Luger, Karolin; Mäder, Armin W.; Richmond, Robin K.; Sargent, David F. (18 сентября 1997 г.). «Кристаллическая структура частицы ядра нуклеосомы при разрешении 2,8 А». Nature . 389 (6648): 251–260. Bibcode :1997Natur.389..251L. doi :10.1038/38444. PMID  9305837. S2CID  4328827.
  12. ^ abc Biswas, Mithun; Voltz, Karine; Smith, Jeremy C.; Langowski, Jörg (15 декабря 2011 г.). "Роль гистоновых хвостов в структурной стабильности нуклеосомы". PLOS Computational Biology . 7 (12): e1002279. Bibcode :2011PLSCB...7E2279B. doi : 10.1371/journal.pcbi.1002279 . PMC 3240580 . PMID  22207822. 
  13. ^ Беккер, ПБ (16 сентября 2002 г.). «ОБЗОР НОВОГО УЧАСТНИКА EMBO: Скольжение нуклеосом: факты и вымысел». Журнал EMBO . 21 (18): 4749–4753. doi :10.1093/emboj/cdf486. PMC 126283. PMID  12234915 . 
  14. ^ Fazzio, TG; Tsukiyama, T (ноябрь 2003 г.). «Ремоделирование хроматина in vivo: доказательства механизма скольжения нуклеосом». Molecular Cell . 12 (5): 1333–40. doi : 10.1016/s1097-2765(03)00436-2 . PMID  14636590.
  15. ^ Jenuwein, T; Allis, CD (10 августа 2001 г.). «Трансляция кода гистонов». Science . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . doi :10.1126/science.1063127. PMID  11498575. S2CID  1883924. 
  16. ^ Schiltz, RL; Mizzen, CA; Vassilev, A; Cook, RG; Allis, CD; Nakatani, Y (15 января 1999 г.). «Перекрывающиеся, но различные паттерны ацетилирования гистонов человеческими коактиваторами p300 и PCAF в нуклеосомных субстратах». Журнал биологической химии . 274 (3): 1189–92. doi : 10.1074/jbc.274.3.1189 . PMID  9880483.
  17. ^ Jin, Q; Yu, LR; Wang, L; Zhang, Z; Kasper, LH; Lee, JE; Wang, C; Brindle, PK; Dent, SY; Ge, K (19 января 2011 г.). «Различные роли GCN5/PCAF-опосредованного H3K9ac и CBP/p300-опосредованного H3K18/27ac в трансактивации ядерного рецептора». The EMBO Journal . 30 (2): 249–62. doi :10.1038/emboj.2010.318. PMC 3025463. PMID  21131905 . 
  18. ^ Яо, TP; О, SP; Фукс, M; Чжоу, ND; Чэнь, LE; Ньюсом, D; Бронсон, RT; Ли, E; Ливингстон, DM; Экнер, R (1 мая 1998 г.). «Дефекты эмбрионального развития и пролиферации, зависящие от дозы гена, у мышей, лишенных транскрипционного интегратора p300». Cell . 93 (3): 361–72. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81165-4 . PMID  9590171. S2CID  620460.

Внешние ссылки