Гистоновый октамер
В молекулярной биологии октамер гистонов из восьми белков, представляет собой комплекс расположенный в центре ядерной частицы нуклеосомы . Он состоит из двух копий каждого из четырех основных белков- гистонов ( H2A , H2B , H3 и H4 ). Октамер образуется, 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 С-концевую гистоновую складку. Каждый из этих ключевых компонентов по-своему взаимодействует с ДНК посредством ряда слабых взаимодействий, включая водородные связи и солевые мостики . Эти взаимодействия сохраняют слабую связь ДНК и октамера гистонов и в конечном итоге позволяют им изменить положение или полностью отделиться.
История исследований
[ редактировать ]гистонов Посттрансляционные модификации 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 объяснить кристаллическую структуру октамера гистонов с обернутой вокруг него ДНК с разрешением 7 Å в 1984 году. [ 3 ] Структура октамерного основного комплекса была пересмотрена семь лет спустя, и для его кристалла при высокой концентрации соли было выяснено разрешение 3,1 Å. Хотя сходство последовательностей между основными гистонами низкое, каждый из четырех имеет повторяющийся элемент, состоящий из спираль-петля-спираль, называемый мотивом складки гистона . [ 4 ] Кроме того, в 2000-х годах детали взаимодействий белок-белок и белок-ДНК были уточнены с помощью рентгеновской кристаллографии при 2,8 и 1,9 Å соответственно. [ 5 ]
Гистоновый октамер в молекулярных деталях
[ редактировать ]Коровые гистоны представляют собой четыре белка, называемые H2A, H2B, H3 и H4, и все они находятся в клетке в равных частях. Все четыре основные аминокислотные последовательности гистонов содержат от 20 до 24% лизина и аргинина , а размер белка колеблется от 11 400 до 15 400 дальтон, что делает их относительно небольшими, но очень положительно заряженными белками. [ 6 ] Высокое содержание положительно заряженных аминокислот позволяет им тесно связываться с отрицательно заряженной ДНК . Гетеродимеры или промежуточные соединения, состоящие только из гистонов, образуются из гистоновых доменов. Образование только промежуточных гистонов происходит, когда основные гистоны спариваются в переплетенный квазисимметричный гетеродимер серповидной формы. Каждый домен складки гистона состоит из трех участков α-спирали , разделенных неупорядоченными петлями. Домен складки гистонов отвечает за образование гетеродимеров «голова-хвост» двух гистонов: H2A-H2B и H3-H4. Однако гистоны H3 и H4 сначала образуют гетеродимер, а затем, в свою очередь, гетеродимер димеризуется с образованием тетрамера (H3-H4) 2 . [ 7 ] Образование гетеродимера основано на взаимодействии гидрофобных аминокислотных остатков между двумя белками. [ 7 ]
Квазисимметрия позволяет гетеродимеру накладываться сам на себя путем поворота на 180 градусов вокруг этой оси симметрии. В результате вращения два конца гистонов, участвующих в связывании ДНК серповидной формы H3-H4, эквивалентны, однако организуют разные участки ДНК. Димер H2A-H2B также сворачивается аналогичным образом. Тетрамер (H3-H4) 2 обернут вокруг себя ДНК на первом этапе образования нуклеосомы. Затем два димера H2A-H2B соединяются с комплексом ДНК-(H3-H4) 2 с образованием нуклеосомы. [ 8 ]
Каждый из четырех основных гистонов, в дополнение к своим гистоновым доменам, также содержит гибкие, неструктурированные расширения, называемые гистонов . «хвостами» [ 9 ] Обработка нуклеосом протеазой трипсином показывает, что после удаления хвостов гистонов ДНК может оставаться прочно связанной с нуклеосомой. [ 6 ] Гистоновые хвосты подвергаются множеству модификаций, включая фосфорилирование , ацетилирование и метилирование остатков серина, лизина и аргинина. [ 6 ]
Гистоновый октамер нуклеосомы
[ редактировать ]
Корневая частица нуклеосомы представляет собой наиболее основную форму уплотнения ДНК у эукариот . Нуклеосомы состоят из октамера гистонов, окруженного 146 парами оснований ДНК, завернутых в суперспиральную форму. [ 10 ] Помимо уплотнения ДНК, октамер гистонов 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. ДНК Гистоновая складка химически и физически взаимодействует с малой бороздкой . Исследования показали, что гистоны более благоприятно взаимодействуют с областями, обогащенными A : T , чем областями, обогащенными G : C , 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 октамером гистонов и ДНК не являются постоянными. Их можно довольно легко разделить, и часто это происходит во время репликации и транскрипции . Специфические белки ремоделирования постоянно изменяют структуру хроматина, разрывая связи между ДНК и нуклеосомой.
Взаимодействие гистонов и ДНК
[ редактировать ]Гистоны состоят преимущественно 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 ДНК позволяет ей стать более плотно упакованной. [ 6 ]
Взаимодействие с малой бороздкой
[ редактировать ]Взаимодействие гистоновых доменов с малой бороздкой объясняет большую часть взаимодействий в нуклеосоме. [ 11 ] Когда ДНК обволакивает октамер гистонов, она открывает свою малую бороздку для октамера гистонов в 14 различных местах. В этих местах они взаимодействуют посредством ряда слабых нековалентных связей. Основным источником связей являются водородные связи, как прямые, так и опосредованные водой. [ 10 ] Гистоновые водородные связи связаны как с фосфодиэфирной основной цепью, так и с основаниями, богатыми A:T. В этих взаимодействиях гистоновая складка связывается с атомами кислорода и гидроксильными боковыми цепями соответственно. [ 11 ] Вместе эти сайты имеют в общей сложности около 40 водородных связей, большинство из которых образуются в результате взаимодействий основной цепи. [ 6 ] Кроме того, в 10 из 14 раз, когда малая бороздка обращена к гистоновой складке, боковая цепь аргинина из гистоновой складки вставляется в малую бороздку. Остальные четыре раза аргинин поступает из хвостовой части гистона. [ 11 ]
Взаимодействия и модификации хвоста
[ редактировать ]Как упоминалось выше, было показано, что хвосты гистонов напрямую взаимодействуют с ДНК нуклеосомы. Каждый гистон октамера имеет N-концевой хвост, выступающий из ядра гистона. Хвосты играют роль как в меж-, так и внутринуклеосомных взаимодействиях, которые в конечном итоге влияют на доступ к генам. [ 12 ] Гистоны — это положительно заряженные молекулы, которые обеспечивают более прочную связь с отрицательно заряженной молекулой ДНК. Уменьшение положительного заряда белков-гистонов снижает прочность связи между гистоном и ДНК, делая ее более открытой для транскрипции (экспрессии) генов. [ 12 ] Более того, эти гибкие единицы направляют левостороннее обертывание ДНК вокруг октамера гистонов во время образования нуклеосомы. [ 6 ] Как только ДНК связывается, 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 совсем по-другому. 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 клеточных механизмов репликации и транскрипции.
Ремоделирование и разборка нуклеосом
[ редактировать ]Чтобы получить доступ к нуклеосомной ДНК, необходимо разорвать связи между ней и октамером гистонов. Это изменение периодически происходит в клетке по мере транскрипции определенных областей и происходит по всему геному во время репликации. Ремоделирующие белки действуют тремя различными способами: они могут перемещать ДНК по поверхности октамера, заменять один димер гистона его вариантом или полностью удалять октамер гистонов. Независимо от метода, для модификации нуклеосом комплексы ремоделирования требуют энергии гидролиза АТФ для управления своим действием.
Из трех техник скольжение является наиболее распространенным и наименее экстремальным. [ 13 ] Основная идея метода — освободить участок ДНК, с которым обычно прочно связывается октамер гистонов. Хотя техника не совсем определена, наиболее известная гипотеза состоит в том, что скольжение осуществляется по принципу «червячка». В этом методе, используя АТФ в качестве источника энергии, транслоказный домен комплекса ремоделирования нуклеосомы отделяет небольшой участок ДНК от октамера гистонов. Эта «волна» ДНК, спонтанно разрывая и переделывая водородные связи, затем распространяется вниз по нуклеосомной ДНК, пока не достигнет последнего места связывания с октамером гистонов. Как только волна достигает конца октамера гистонов, избыток, который когда-то был на краю, распространяется в область линкерной ДНК. В общей сложности один раунд этого метода перемещает октамер гистонов на несколько пар оснований в определенном направлении — в сторону от направления распространения «волны». [ 6 ] [ 14 ]
Клиническая значимость
[ редактировать ]Многочисленные отчеты показывают связь между возрастными заболеваниями, врожденными дефектами и некоторыми типами рака с нарушением определенных посттрансляционных модификаций гистонов. Исследования показали, что N- и C-концевые хвосты являются основными мишенями 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 границе раздела гистон-ДНК в хроматине. p300 и белок, связывающий ответный элемент цАМФ ( CBP ), обладают гистон -ацетилтрансферазы активностью . p300 и CBP являются наиболее беспорядочными ферментами гистон-ацетилтрансферазы, ацетилирующими все четыре основных гистона по множеству остатков. [ 16 ] Лизин 18 и лизин 27 на H3 были единственными сайтами ацетилирования гистонов, которые уменьшались при истощении CBP и p300 в эмбриональных фибробластах мыши. [ 17 ] Кроме того, мыши с нокаутом CBP и p300 имеют открытый дефект нервной трубки и поэтому умирают до рождения. У эмбрионов p300-/- наблюдается дефект развития сердца. У мышей CBP+/- наблюдается задержка роста, черепно-лицевые аномалии, гематологические злокачественные новообразования, которые не наблюдаются у мышей с p300+/-. [ 18 ] Сообщалось о мутациях обоих р300 в опухолях человека, таких как колоректальный рак, рак желудка, молочной железы, яичников, легких и поджелудочной железы. Также онкогенным может быть активация или локализация двух гистон-ацетилтрансфераз.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Олфри, В.Г.; Мирский А.Е. (1 мая 1964 г.). «Структурные модификации гистонов и их возможная роль в регуляции синтеза РНК». Наука . 144 (3618): 559. doi : 10.1126/science.144.3618.559 . ПМИД 17836360 .
- ^ Хьюиш, Дин Р.; Бургойн, Ли А. (1973). «Подструктура хроматина. Переваривание ДНК хроматина в регулярно расположенных участках ядерной дезоксирибонуклеазой». Биохим. Биофиз. Рез. Коммун . 52 (2): 504–510. дои : 10.1016/0006-291x(73)90740-7 . ПМИД 4711166 .
- ^ Клюг; Ричмонд (1984). «Структура ядра нуклеосомы с разрешением 7 Å». Природа . 311 (5986): 532–537. Бибкод : 1984Natur.311..532R . дои : 10.1038/311532a0 . ПМИД 6482966 . S2CID 4355982 .
- ^ Арентс; Берлингейм (1991). «Нуклеосомный коровый гистоновый октамер с разрешением 3,1 ˚A: трехчастная сборка белка и левосторонняя суперспираль» . ПНАС . 88 (22): 10148–52. Бибкод : 1991PNAS...8810148A . дои : 10.1073/pnas.88.22.10148 . ПМК 52885 . ПМИД 1946434 .
- ^ Дэйви, Курт А.; Сарджент, Дэвид Ф.; Люгер, Каролин; Мэдер, Армин В.; Ричмонд, Тимоти Дж. (июнь 2002 г.). «Взаимодействия, опосредованные растворителем, в структуре ядерной частицы нуклеосомы при разрешении 1,9 Å». Журнал молекулярной биологии . 319 (5): 1097–1113. дои : 10.1016/S0022-2836(02)00386-8 . ПМИД 12079350 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Школа, Джеймс Д. Уотсон, Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Таня А. Бейкер, Массачусетский технологический институт, Стивен П. Белл, Массачусетский технологический институт, Александр Ганн, Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Майкл Левин, Калифорнийский университет, Беркли, Ричард Лосик, Гарвардский университет; со Стивеном К. Харрисоном, Гарвардский медицинский университет (2014). Молекулярная биология гена (Седьмое изд.). Бостон: Издательская компания Бенджамина-Каммингса. п. 241. ИСБН 978-0321762436 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Люгер, Каролин (апрель 2003 г.). «Структура и динамическое поведение нуклеосом». Текущее мнение в области генетики и развития . 13 (2): 127–135. дои : 10.1016/S0959-437X(03)00026-1 . ПМИД 12672489 .
- ^ Д'Арси, Шина; Мартин, Кайл В.; Панченко Таня; Чен, Сюй; Бержерон, Серж; Старджелл, Лори А.; Блэк, Бен Э.; Люгер, Каролин (сентябрь 2013 г.). «Шаперон Nap1 защищает поверхности гистонов, используемые в нуклеосоме, и может переводить H2A-H2B в нетрадиционную тетрамерную форму» . Молекулярная клетка . 51 (5): 662–677. doi : 10.1016/j.molcel.2013.07.015 . ПМЦ 3878309 . ПМИД 23973327 .
- ^ Харшман, Юго-Запад; Янг, Нидерланды; Партун, MR; Фрейтас, Массачусетс (14 августа 2013 г.). «Гистоны H1: современные перспективы и проблемы» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (21): 9593–9609. дои : 10.1093/нар/gkt700 . ПМЦ 3834806 . ПМИД 23945933 .
- ^ Jump up to: а б Эндрюс, Эндрю Дж.; Люгер, Каролин (9 июня 2011 г.). «Структура(ы) нуклеосом и стабильность: вариации на тему». Ежегодный обзор биофизики . 40 (1): 99–117. doi : 10.1146/annurev-biophys-042910-155329 . ПМИД 21332355 .
- ^ Jump up to: а б с Ричмонд, Тимоти Дж.; Люгер, Каролин; Мэдер, Армин В.; Ричмонд, Робин К.; Сарджент, Дэвид Ф. (18 сентября 1997 г.). «Кристаллическая структура ядра нуклеосомы при разрешении 2,8 А». Природа . 389 (6648): 251–260. Бибкод : 1997Natur.389..251L . дои : 10.1038/38444 . ПМИД 9305837 . S2CID 4328827 .
- ^ Jump up to: а б с Бисвас, Митхун; Вольц, Карин; Смит, Джереми К.; Ланговски, Йорг (15 декабря 2011 г.). «Роль гистоновых хвостов в структурной стабильности нуклеосомы» . PLOS Вычислительная биология . 7 (12): e1002279. Бибкод : 2011PLSCB...7E2279B . дои : 10.1371/journal.pcbi.1002279 . ПМК 3240580 . ПМИД 22207822 .
- ^ Беккер, П.Б. (16 сентября 2002 г.). «ОБЗОР НОВОГО УЧАСТНИКА EMBO: Скольжение нуклеосом: факты и вымысел» . Журнал ЭМБО . 21 (18): 4749–4753. дои : 10.1093/emboj/cdf486 . ПМК 126283 . ПМИД 12234915 .
- ^ Фаццио, Т.Г.; Цукияма, Т. (ноябрь 2003 г.). «Ремоделирование хроматина in vivo: доказательства механизма скольжения нуклеосом» . Молекулярная клетка . 12 (5): 1333–40. дои : 10.1016/s1097-2765(03)00436-2 . ПМИД 14636590 .
- ^ Йенувейн, Т; Эллис, компакт-диск (10 августа 2001 г.). «Перевод гистонового кода». Наука . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . дои : 10.1126/science.1063127 . ПМИД 11498575 . S2CID 1883924 .
- ^ Шильц, РЛ; Миззен, Калифорния; Васильев А; Кук, Р.Г.; Эллис, компакт-диск; Накатани, Ю. (15 января 1999 г.). «Перекрывающиеся, но различные закономерности ацетилирования гистонов человеческими коактиваторами p300 и PCAF в нуклеосомных субстратах» . Журнал биологической химии . 274 (3): 1189–92. дои : 10.1074/jbc.274.3.1189 . ПМИД 9880483 .
- ^ Джин, Кью; Ю, ЛР; Ван, Л; Чжан, З; Каспер, Л.Х.; Ли, Дж. Э.; Ван, К; Бриндл, ПК; Дент, С.Ю.; Ге, К. (19 января 2011 г.). «Различные роли GCN5/PCAF-опосредованного H3K9ac и CBP/p300-опосредованного H3K18/27ac в трансактивации ядерных рецепторов» . Журнал ЭМБО . 30 (2): 249–62. дои : 10.1038/emboj.2010.318 . ПМК 3025463 . ПМИД 21131905 .
- ^ Яо, ТП; О, СП; Фукс, М; Чжоу, Северная Дакота; Чонг, LE; Ньюсом, Д; Бронсон, RT; Ложь; Ливингстон, DM; Экнер, Р. (1 мая 1998 г.). «Зависящие от дозы гена дефекты эмбрионального развития и пролиферации у мышей, лишенных транскрипционного интегратора p300» . Клетка . 93 (3): 361–72. дои : 10.1016/S0092-8674(00)81165-4 . ПМИД 9590171 . S2CID 620460 .