Histoni: struktura, funkcija in pomen v evkariontskih celicah

Odkrijte strukturo, funkcijo in pomen histonov v evkariontskih celicah — kako nukleosomi zlagajo DNK, uravnavajo gene in vplivajo na celično dedovanje.

Histoni so beljakovine v jedrih evkariontskih celic, ki zapirajo DNK v strukturne enote, imenovane nukleosomi. So glavne beljakovinske sestavine kromatina, aktivne komponente kromosomov.

Histoni delujejo kot tuljave, okoli katerih se vije DNK, in imajo pomembno vlogo pri uravnavanju genov. Brez histonov bi bila odvita DNK v kromosomih zelo dolga. Vsaka človeška celica ima na primer približno 1,8 metra DNK, vendar ima na histonih navitih približno 90 milimetrov kromatina, ki ob podvajanju in kondenzaciji med mitozo tvori približno 120 mikrometrov kromosomov.

Struktura nukleosoma

Osnovna enota kromatina je nukleosom. Nukleosomno jedro sestavlja oktamer, torej skupina osmih histonskih proteinov: dveh kopij vsake od glavnih jedrnih histonov H2A, H2B, H3 in H4. Okoli tega oktamera se ovije približno 147 parov baz DNK (približno 1,65 do 1,7 zavoja). Med nukleosomi je običajno kratko razbremenilno področje DNK, imenovano linker DNA, dolžina katerega variira in določa nukleosomsko ponavljajočo dolžino (pogosto okoli 160–200 bp). Linker histon H1 se veže na to regijo in pomaga pri višji stopnji kondenzacije kromatina.

Vrste histonov in varianti

Poleg klasičnih histonov obstajajo tudi posebne histonske variante, ki se razlikujejo po aminokislinski zaporedju in funkciji. Primeri variant:

• H3.3 – povezana z aktivno transkripcijo in obnovo nukleosomov neodvisno od podvojevanja DNA.
• H2A.X – vključen v odziv na poškodbe DNA; fosforilacija te variante označuje mesta dvojnih prekinitev DNA.
• macroH2A – povezana z inaktivacijo X-kromosoma in stabilnejšimi, kompaktnejšimi strukturami kromatina.

Post-translacijske spremembe in regulacija genov

Histoni imajo dolge aminokislinske repke, izpostavljene zunanjemu okolju nukleosoma, ki so tarča številnih post-translacijskih modifikacij. Najpogostejše so:

• acetilacija (na lizinskih ostankih)
• metilacija (na lizinah in argininah)
• fosforilacija (na serinih, treoninih)
• ubiquitination in sumoylation

Te spremembe spreminjajo električni naboj in prostorni izgled histonov, kar vpliva na dostopnost DNK za transkripcijske faktorje, polimeraze in komplekse za popravljanje DNA. Enzimi, ki dodajajo ali odstranjujejo te označbe, vključujejo:

• HAT (histone acetyltransferases) in HDAC (histone deacetylases)
• HMT (histone methyltransferases) in demetilaze
• kinaze in fosfataze za fosforilacijo

Koncept, da kombinacije histonskih modifikacij tvorijo kodo, ki napoveduje kromatinski status in transkripcijsko aktivnost, imenujemo histonska koda.

Dinamičnost kromatina in mehanizmi premikanja nukleosomov

Kromatin ni statičen; nukleosomi se premikajo ali odstranijo, da omogočijo dostop do DNK. Ta proces omogočajo barvnik» kompleksov za preurejanje kromatina (npr. SWI/SNF, ISWI, CHD, INO80), pa tudi histonski čaperoni (npr. CAF-1, NAP1), ki pomagajo pri sestavljanju in disociaciji histonov med replikacijo, transkripcijo in popravljanjem DNA.

Vloga v celičnem življenjskem ciklu in epigenetsko pomnjenje

Med mitozo in mejoza je kromatin močno kondenziran, kar omogoča pravilno segregacijo kromosomov. Pri podvajanju DNK se del histonov prenese na potomce, del pa sestavijo novi histoni; s tem lahko nekatere histonske označbe delujejo kot epigenetski signal in se prenašajo naprej, kar vpliva na dolgoročno izražanje genov brez spremembe zaporedja DNK. Nekatere histonske gene pri evkariontih imajo posebno regulacijo: številni replikacijsko odvisni histonski mRNK nimajo poli(A)-rep in imajo namesto tega končno zanko, ki ureja stabilnost mRNA v S-fazi.

Klinični pomen

Napake v histonskih proteinah, v njihovih variantah ali v regulaciji histonskih modifikacij so povezane z različnimi boleznimi, zlasti z rakom, dednimi motenjami razvoja in staranjem. Ciljni zdravilci, kot so inhibitorji HDAC ali tisti, ki ciljajo metiltransferaze, se že uporabljajo ali preučujejo v kliničnih poskusih kot epigenetske terapije.

Zaključek

Histoni so temeljna komponenta kromatina, ki omogoča kompaktno shranjevanje DNK in hkrati dinamično uravnavanje dostopa do genetske informacije. S kombinacijo struktur, variant in obsežnih post-translacijskih sprememb tvorijo zapleten in prilagodljiv sistem, ki povezuje strukturo kromatina z regulacijo genov, odzivom na poškodbe DNA in dolgoročnim epigenetskim spominom celice.

Funkcije

Zgoščevanje verig DNK

Histoni delujejo kot tuljave, okoli katerih se vije DNK. To omogoča, da se veliki genomi evkariontov prilegajo celičnim jedrom. Zgoščena molekula je 40.000-krat krajša od nezgoščene molekule.

Regulacija kromatina

Histoni se spremenijo, kar spremeni njihovo interakcijo z DNK in jedrnimi beljakovinami. Dolgotrajne spremembe v interakciji med histoni in DNK povzročijo epigenetske učinke. Kombinacije sprememb naj bi predstavljale kodo, tako imenovano histonsko kodo. Modifikacije histonov delujejo v različnih bioloških procesih, kot so uravnavanje genov, popravljanje DNK in kondenzacija kromosomov (mitoza).

Primeri

Primeri histonskih modifikacij pri regulaciji transkripcije so:

Vrsta spremembe	Histon
	H3K4	H3K9	H3K14	H3K27	H3K79	H4K20	H2BK5
monometilacija	aktivacija	aktivacija		aktivacija	aktivacija	aktivacija	aktivacija
di-metilacija		represija		represija	aktivacija
trimetilacija	aktivacija	represija		represija	aktivacija, zatiranje		represija
acetilacija		aktivacija	aktivacija

DNK na zunanji strani, ki na notranji strani zavija okrogel histon. Pogled od zgoraj skozi os vijačnice

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so histoni?

V: Kakšna je funkcija histonov?

V: Kaj bi se zgodilo brez histonov?

V: Koliko DNK je v vsaki človeški celici?

V: Koliko kromatina ima vsaka človeška celica?

V: Kaj se zgodi med mitozo?

V: Kakšna je vloga histonov v kromosomih?

Išči po črki