Histony (z řeckého ἱστός „tkáň“) jsou rozsáhlou třídou jaderných proteinů , které plní dvě hlavní funkce: účast na balení řetězců DNA v jádře a epigenetická regulace takových jaderných procesů, jako je transkripce , replikace a oprava .
V chromatinu tvoří histony 25–40 % suché hmotnosti [1] . Díky vysokému obsahu lysinu a argininu vykazují histony silně bazické vlastnosti. Histony jsou v přímém kontaktu s DNA a jsou schopny neutralizovat negativní náboj DNA fosfátových skupin díky pozitivnímu náboji aminokyselinových zbytků. Sekvence aminokyselin v těchto proteinech je konzervativní a u organismů různých taxonů se prakticky neliší . Histony jsou přítomny v jádrech eukaryotických buněk; Bakterie nemají histony, ale nacházejí se v archaeách skupiny Euryarchaea [2] .
Histony objevil v roce 1884 německý biochemik Albrecht Kossel [3] .
Existuje pouze pět různých typů histonů H1/H5, H2A, H2B, H3, H4.
Histony H2A, H2B, H3, H4, nazývané jádrové histony (z anglického core "core; core"), tvoří nukleozom , což je proteinová globule, kolem níž je navinuto vlákno DNA. Centrální podjednotka všech jádrových histonů má stejnou sekundární strukturu s rozšířenou α-helikální doménou, která je na obou stranách lemována doménami obsahujícími jednu smyčku a jednu krátkou α-helix. Tato podjednotka se nazývá „histone fold“ [4] .
Všechny čtyři typy jádrových histonů mají stejný „histonový záhyb“, přičemž sekvenční identita mezi nimi je poměrně nízká [5] (podle některých odhadů nepřesahuje 25 %).
Histon H1/H5, nazývaný spojovací histon , se váže na vnější stranu nukleozomu a ukotvuje na něm řetězec DNA. Úsek DNA, který za ním následuje, se nazývá linkerová DNA (přibližně 100 párů bází). Histon H1 je největší ze všech histonů. Liší se od jádrových histonů a ovlivňuje další balení chromatinu [4] .
Nukleozomy a linkerové histony mají řadu funkcí, které určují dynamiku chromatinu. Například histon H1 je fixátor řetězce DNA na nukleozomu, a tak řídí dostupnost chromatinu [6] . Na druhé straně mohou jádrové histony změnit vnitřní složení a tím ovlivnit dostupnost chromatinu pro určité oblasti DNA. Kromě toho nukleozomální proteiny procházejí během života buňky řadou posttranslačních modifikací, včetně acetylace, methylace, fosforylace a ubiquitylace, které mohou změnit vlastnosti a ovlivnit interakci nukleozomu s různými proteiny.
Nukleozom je přibližně 147 párů bází (bp) DNA, která je navinuta kolem oktameru (~1,67 závitu šroubovice) tvořeného páry proteinů nazývaných jádrové histony. Jeho průměr je 7 nm. Délka fragmentu DNA „objímajícího“ jeden nukleozom se mění, v průměru 200 bp. Současně je 146 bp přímo spojeno s nukleozomem a zbývajících několik desítek spojuje dva sousední nukleozomy [7] . Linker histon Hl interaguje s oblastí linkeru DNA bez kontaktu s histonovým oktamerem.
Kontakt mezi histony nukleozomu a DNA je poměrně silný. V každém nukleozomu se mezi DNA a histony, které ji tvoří, tvoří 142 vodíkových vazeb . Téměř polovina těchto vazeb se vyskytuje mezi hlavním řetězcem histonových aminokyselin a fosfodiesterovými skupinami cukr-fosfátové kostry DNA. Kromě vodíkových vazeb mezi DNA a proteiny drží nukleozomy pohromadě četné hydrofobní interakce a solné můstky. Například pozitivní náboje aminokyselin lysinu a argininu , kterými jsou histony obohaceny, mohou účinně neutralizovat negativní náboj páteře DNA. Tyto mnohočetné interakce částečně vysvětlují, proč téměř jakákoli sekvence DNA může být spojena s nukleozomálním oktamerem [8] .
Kravské histony H2A, H2B, H3 a H4 jsou malé proteiny s molekulovou hmotností 10–15 kDa , jejichž složení je extrémně obohaceno o kladně nabité aminokyseliny lysin a arginin [9] . Pozitivně nabité aminokyseliny jsou koncentrovány hlavně v aminových (N-) a karboxylových (C-) (viz Peptidová vazba ) koncových částech jádrových histonových molekul nazývaných ocasy. Histonové konce, dlouhé asi 15-30 aminokyselinových zbytků, nejsou organizovány do žádných výrazných sekundárních struktur. Histonové ocasy, především N-ocas, hrají klíčovou roli v epigenetických mechanismech, na kterých se tyto proteiny podílejí. Hydrofobní aminokyselinové zbytky převládají v centrálních, nejvíce konzervovaných oblastech jádra histonového polypeptidového řetězce. Právě tyto centrální oblasti se podílejí na tvorbě nukleozomálního oktameru, na který se navíjí DNA [3] . Centrální oblast všech nukleozomálních histonů má charakteristickou sekundární strukturu s rozšířenou α-helikální doménou, která je na obou stranách lemována doménami obsahujícími jednu smyčku a jednu krátkou α-helix. Tato prostorová struktura se nazývá histone fold ( anglicky histone fold domain , HFD) [10] . Nukleozomální histony tedy obsahují centrální strukturovanou třířetězcovou HFD doménu a nestrukturované N- a C-konce.
Histony H3 a H4, H2A a H2B se rozeznávají ve dvojicích. Helikální domény na sebe vzájemně působí, vytvářejí struktury zvané handshake, což vede k heterodimerům - H3-H4 a H2A-H2B. Z prvního dimeru se zase vytvoří tetramer (N3-N4) 2 . Tetramer (H3-H4) 2 a dva dimery H2A-H2B tvoří histonový oktamer, jádro nukleozomu [3] . Nukleozom má klínovitý tvar. Jeho úzká část je (H3-H4) 2 a široká část se skládá ze dvou dimerů H2A-H2B, které jsou umístěny po stranách tetrameru (H3-H4) 2 a vzájemně neinteragují. Ze veškeré DNA navinuté kolem nukleozomálního oktameru je asi 80 párů bází spojeno s tetramerem (H3-H4) 2 a asi 40 párů bází s dimery H2A-H2B [10] .
Linker histon H1 se váže na vnější stranu nukleozomu v oblasti (H3-H4) 2 tetrameru , čímž fixuje řetězec DNA na nukleozom. V erytrocytech ptáků a plazů v neaktivním chromatinu je místo histonu H1 blízce příbuzný histon H5 [10] . Histon H1/H5 se výrazně liší od čtyř základních histonů. Má molekulovou hmotnost přes 20 kDa. Obsahuje výrazně více lysinových zbytků než arginin a všechny kladně nabité aminokyselinové zbytky jsou koncentrovány na C-konci molekuly H1. C-konec molekuly H1 je charakterizován neuspořádanou strukturou a je dlouhý asi 100 aminokyselinových zbytků. Centrální část molekuly H1 je bohatá na hydrofobní aminokyselinové zbytky a v roztoku tvoří globuli. N-konec nemá uspořádanou strukturu a je relativně krátký [9] .
Jedním z důležitých faktorů regulujících fungování eukaryotických buněk na úrovni nukleozomů je nahrazování histonů jejich variantami . Existují dva typy histonů: kanonické a histonové varianty.
Všechny histony, kromě histonu H4, mají různé varianty, které mu odpovídají. Kanonické histony (H2A, H2B, H3, H4, H1/H5) jsou obvykle závislé na replikaci [4] . Jsou zvláště exprimovány v S-fázi buněčného cyklu. Zatímco histonové varianty (H2A.Z, H2A.B, ..., H2B.W, H2B.Z, ..., H3.3, H3.Y, H3.5, ..., H1.0, H1. 10) jsou nezávislé na replikaci a jsou exprimovány po celý život buňky. Jak kanonické histony, tak jejich varianty mohou mít své vlastní charakteristické rysy v závislosti na typu organismu. I když existují i univerzální histony [11] .
Úlohou histonových variant je zachovat sbalení nukleozomálního chromatinu, zvýšit nebo snížit jeho stabilitu, vytvořit speciální kontext v každé specifické oblasti chromatinu a tím řídit procesy transkripce, replikace a opravy [10] . Každá histonová varianta má charakteristickou sekvenci a strukturní rysy, které vysvětlují její specifickou funkci [4] . Navíc, zatímco některé varianty se mohou lišit pouze o několik aminokyselinových zbytků, jiné mohou mít nižší podobnost. Například H2B a H2B.E se liší pouze čtyřmi nebo pěti aminokyselinovými zbytky, zatímco dvě subvarianty H2A.Z (H2A.Z.1 a H2A.Z.2) se u obratlovců liší pouze třemi. Podobná situace je pozorována mezi histonovou variantou H2A.X a její kanonickou formou. Od H2A se liší funkčně důležitým C-koncovým fosforylačním motivem Ser-Gln-(Glu/Asp)-P, kde P je hydrofobní zbytek. Volitelně specifická fosforylace serinu v tomto motivu může nastat během tvorby dvouřetězcových zlomů DNA a může být důležitá pro nábor a udržení různých faktorů remodelace chromatinu k podpoře opravy dvouřetězcových zlomů. Příkladem dvojice variant s nižší identitou je H2A.L, která má pouze 24% sekvenční identitu s kanonickou H2A [11] .
Je známo, že modifikace přes histonové varianty se často ukáží jako stejné jako v jejich kanonických formách. Například Lys4 v H3.3 je často trimethylován (H3.3K4me3), zatímco Lys18 a Lys23 jsou často acetylovány (H3.3K18ac a H3.3K23ac, v tomto pořadí) [12] .
Klasické histonové geny jsou přítomny v genomu v několika kopiích a jsou sestaveny do tandemově se opakujících shluků. Uspořádání klastrů kanonických histonových genů je charakteristické pro všechny mnohobuněčné organismy . U lidí je největší shluk těchto genů, nazývaný HIST1 a sestávající z 55 genů, umístěn na chromozomu 6 v oblasti 6p21-p22. Dva menší shluky jsou umístěny na chromozomu 1 : pás 1q21 obsahuje shluk HIST2 obsahující 6 histonových genů a pás 1q42 obsahuje shluk HIST3 sestávající ze tří genů. Mimo tři výše popsané shluky se na chromozomu 12 v pásu 12p13.1 nachází jediný gen kódující kanonický jádrový histon, gen HIST4H4 kódující histon H4 [13] .
Charakteristickým rysem kanonických histonových genů je absence intronů . Transkripce těchto genů probíhá striktně během S-fáze buněčného cyklu . Messengerová RNA těchto genů není polyadenylovaná, 3'-nekódující část mRNA je složena do sekundární struktury s kmenovou smyčkou [14] .
Variantní histonové geny na rozdíl od kanonických histonových genů netvoří shluky, jsou rozptýleny po celém genomu, často obsahují introny, z nich přepisovaná RNA polyadenátuje a k transkripci dochází v průběhu celého buněčného cyklu.
| nadrodina | Rodina | Podrodina | Geny |
|---|---|---|---|
| Histon linkeru | |||
| Histon H1 | |||
| Histony varianty H1 (podrodina H1F) | H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX, HILS1 | ||
| Kanonické geny histonu H1 v klastru HIST1 (H1H1) | HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T | ||
| Jádrové histony | |||
| Histone H2A | |||
| Variantní histony H2A (H2AF) | H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ | ||
| Kanonické histonové geny H2A v klastru HIST1 (H2A1). | HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM | ||
| Kanonické histonové geny H2A v klastru HIST2 (H2A2) | HIST2H2AA3, HIST2H2AC | ||
| Histone H2B | |||
| Variantní histony H2B (H2BF) | H2BFM, H2BFS, H2BFWT | ||
| Kanonické histonové geny H2B v shluku HIST1 (H2B1). | HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST2H21BMHIST1H21BMHIST2 | ||
| Kanonický gen histonu H2A v klastru HIST2 (H2B2) | HIST2H2BE | ||
| Histon H3 | |||
| Kanonické geny histonu H3 v klastru HIST1 (H3A1). | HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J | ||
| Kanonické geny histonu H3 v klastru HIST2 (H3A2) | HIST2H3C | ||
| Kanonické geny histonu H3 v klastru HIST3 (H3A3) | HIST3H3 | ||
| Histon H4 | |||
| Kanonické geny histonu H4 v klastru HIST1 (H41). | HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L | ||
| Kanonický gen histonu H4 mimo klastry | HIST4H4 |
Histony v oktameru mají mobilní N-koncový fragment ("ocásek") o 20 aminokyselinách, který vyčnívá z nukleozomů a je důležitý pro udržení struktury chromatinu a kontrolu genové exprese. Například je známo, že některé modifikace histonů ( fosforylace a acetylace ) jsou lokalizovány převážně v chromatinových oblastech s aktivními geny [15] [16] , zatímco jejich deacetylace [17] a metylace polycomb represorovým komplexem hrají důležitou roli v udržení pluripotence a diferenciace [18] .
Podrobnosti mechanismu regulace nebyly zcela objasněny [19] [20] [21] .
Aminokyselinová sekvence histonů, tedy jejich primární struktura, se v průběhu evoluce změnila jen málo. To je jasně vidět při srovnání aminokyselinové sekvence histonů savců, rostlin a kvasinek. Lidský a pšeničný H4 se tedy liší pouze v několika aminokyselinách. Kromě toho je velikost molekuly proteinu a její polarita poměrně konstantní. Z toho můžeme usoudit, že histony byly optimalizovány již v době společného předchůdce zvířat, rostlin a hub (před více než 700 miliony let). Přestože se od té doby v histonových genech vyskytlo nespočet bodových mutací , všechny zřejmě vedly k zániku mutantních organismů.
| Chromozomy | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Hlavní | |||||||||||
| Klasifikace | |||||||||||
| Struktura |
| ||||||||||
| Restrukturalizace a porušení | |||||||||||
| Určení chromozomálního pohlaví | |||||||||||
| Metody | |||||||||||