Schematické znázornění sestavení jádrových histonů do nukleozomu.
V biologii jsou histony vysoce alkalické proteiny nacházející se v jádrech eukaryotických buněk, které balí a řadí DNA do strukturních jednotek zvaných nukleozomy. Jsou hlavními proteinovými složkami chromatinu, působí jako cívky, kolem kterých se DNA vine, a hrají roli v regulaci genů. Bez histonů by byla nenavinutá DNA v chromozomech velmi dlouhá (poměr délky k šířce v lidské DNA je více než 10 milionů ku jedné). Například každá lidská buňka má asi 1,8 metru DNA, ale po navinutí na histony má asi 90 mikrometrů (0,09 mm) chromatinu, které při duplikaci a kondenzaci během mitózy mají za následek asi 120 mikrometrů chromozomů.
Existuje pět hlavních skupin histonů: H1/H5, H2A, H2B, H3 a H4. Histony H2A, H2B, H3 a H4 jsou známy jako jádrové histony, zatímco histony H1 a H5 jsou známy jako linkerové histony.
Dva z každého z jádrových histonů se spojí a vytvoří jednu jádrovou částici oktamerického nukleozomu a 147 párů bází DNA se kolem této jádrové částice ovine 1,65krát v levotočivé superšikmé zatáčce. Linker histon H1 váže nukleozom a místa vstupu a výstupu DNA, čímž uzamkne DNA na svém místě a umožní vznik struktury vyššího řádu. Nejzákladnější takovou formací je 10 nm vlákno nebo kuličky na strunové konformaci. To zahrnuje ovinutí DNA kolem nukleozomů s přibližně 50 páry bází DNA oddělujícími každý pár nukleozomů (také označované jako linker DNA). Složené histony a DNA se nazývají chromatin. Struktury vyššího řádu zahrnují 30 nm vlákno (tvořící nepravidelný klikatý pohyb) a 100 nm vlákno, což jsou struktury nacházející se v normálních buňkách. Během mitózy a meiózy se kondenzované chromozomy sestavují interakcí mezi nukleozomy a dalšími regulačními proteiny.
Níže je uveden seznam lidských histonových proteinů:
Nukleozomové jádro je tvořeno dvěma H2A-H2B dimery a H3-H4 tetramerem, které tvoří dvě téměř symetrické poloviny terciální strukturou (C2 symetrie; jedna makromolekula je zrcadlovým obrazem druhé). H2A-H2B dimery a H3-H4 tetramer také vykazují pseudodyadovou symetrii. 4 ‚jádrové‘ histony (H2A, H2B, H3 a H4) mají relativně podobnou strukturu a jsou vysoce konzervovány evolucí, všechny mají motiv ‚šroubovice otočky šroubovice otočky‘ (což umožňuje snadnou dimerizaci). Sdílejí také rys dlouhých ‚ocasů‘ na jednom konci struktury aminokyselin – to je místo posttranslační modifikace (viz níže).
Bylo navrženo, že histonové proteiny jsou evolučně příbuzné s helikální částí rozšířené AAA+ ATPázové domény, C-doménou, a s N-terminální substrátovou rozpoznávací doménou proteinů Clp/Hsp100. Navzdory rozdílům v topologii mají tyto tři vrstvy společný homologní motiv helix-strand-helix (HSH).
Britští výzkumníci pomocí techniky elektronové paramagnetické rezonance spin-labeling měřili vzdálenosti mezi cívkami, kolem kterých eukaryotické buňky navíjejí svou DNA. Určili vzdálenosti od 59 do 70 Å.
Celkem histony tvoří pět typů interakcí s DNA:
Vysoce základní povaha histonů, kromě usnadnění interakcí DNA-histon, přispívá k jejich rozpustnosti ve vodě.
Histony podléhají posttranslační modifikaci enzymy primárně na jejich N-koncových koncích, ale také v jejich kulových doménách[nutná citace]. Takové modifikace zahrnují metylaci, citrulinaci, acetylaci, fosforylaci, SUMOylaci, ubiquitinaci a ADP-ribosylaci. To ovlivňuje jejich funkci genové regulace (viz funkce).
Obecně platí, že geny, které jsou aktivní, mají méně vázaného histonu, zatímco neaktivní geny jsou s histony vysoce spojeny během interfáze[nutná citace]. Také se zdá, že struktura histonů byla evolučně zachována, protože jakékoliv škodlivé mutace by byly silně maladaptivní. Všechny histony mají vysoce pozitivně nabitý N-konec s mnoha zbytky lysinu a argininu.
Histony objevil v roce 1884 Albrecht Kossel. Slovo „histon“ pochází z konce 19. století a pochází z německého „Histon“, jehož původ je nejistý: možná pochází z řeckého histanai nebo z histosu. Až do počátku 90. let 20. století byly histony většinou zavrhovány jako inertní obalový materiál pro eukaryotickou jadernou DNA, založený částečně na modelech „koule a hole“ Marka Ptashna a dalších, kteří věřili, že transkripce je aktivována interakcí protein-DNA a protein-protein na převážně holých DNA šablonách, jako je tomu u bakterií. Během 80. let 20. století práce Michaela Grunsteina prokázala, že eukaryotické histony potlačují genovou transkripci a že funkcí transkripčních aktivátorů je tuto represi překonat. Dnes je známo, že histony hrají v genové expresi pozitivní i negativní roli a tvoří základ histonového kódu.
Objev histonu H5 se zřejmě datuje do 70. let 20. století a v klasifikaci byl zařazen do skupiny H1.
Ochrana napříč druhy
Histony se nacházejí v jádrech eukaryotických buněk a v některých archeích, konkrétně v Euryarchaea, ale ne v bakteriích. Jediné eukaryoty, o kterých je známo, že jim histony zcela chybí, jsou jednobuněčné řasy známé jako dinoflageláty.
Archaeální histony mohou docela dobře připomínat evoluční předchůdce eukaryotických histonů. Proteiny histonu patří mezi nejvíce konzervované proteiny u eukaryot, což zdůrazňuje jejich důležitou roli v biologii jádra.:939 Oproti tomu dospělé spermie využívají protaminy k balení své genomové DNA, nejspíše proto, že jim to umožňuje dosáhnout ještě vyššího obalového poměru.
Jádrové histony jsou vysoce konzervované proteiny; to znamená, že existuje velmi málo rozdílů mezi aminokyselinovými sekvencemi histonových proteinů různých druhů. Linker histon má obvykle více než jednu formu v rámci druhu a je také méně konzervovaný než jádrové histony.[nutná citace]
Některé variantní formy se vyskytují v některých hlavních třídách. Sdílí homologii sekvence aminokyselin a strukturní podobnost jádra se specifickou třídou hlavních histonů, ale mají také vlastní charakteristiku, která je odlišná od hlavních histonů. Tyto vedlejší histony obvykle vykonávají specifické funkce metabolismu chromatinu. Například histon H3-like CenpA je histon spojený pouze s centromerní oblastí chromozomu. Histon H2A varianta H2A.Z je spojen s promotory aktivně transkribovaných genů a podílí se také na prevenci šíření tichého heterochromatinu. H2A.Z má dále role v chromatinu pro stabilitu genomu. Další H2A varianta H2A.X se váže na DNA s dvouvláknovými přestávkami a označuje oblast procházející opravou DNA. Histon H3.3 je spojen s tělem aktivně transkribovaných genů.
Histony fungují jako cívky, kolem kterých se vine DNA. To umožňuje zhutnění nezbytné k tomu, aby se velké genomy eukaryot vešly do buněčných jader: zhutněná molekula je 4000krát kratší než nebalená molekula.
Histony procházejí posttranslačními modifikacemi, které mění jejich interakci s DNA a jadernými proteiny. Histony H3 a H4 mají dlouhé ocasy vyčnívající z nukleozomu, které mohou být na několika místech kovalentně modifikovány. Modifikace ocasu zahrnují metylaci, acetylaci, fosforylaci, ubiquitinaci, SUMOylaci, citrulinaci a ADP-ribosylaci. Jádro histonů H2A, H2B a H3 může být také modifikováno. Předpokládá se, že kombinace modifikací tvoří kód, takzvaný „kód histonu“. Modifikace histonu působí v různých biologických procesech, jako je genová regulace, oprava DNA, kondenzace chromozomů (mitóza) a spermatogeneze (meióza).
Společné názvosloví histonových modifikací je:
H3K4me1 tedy označuje monometylaci 4. zbytku (lysinu) od začátku (tj. N-terminálu) H3 proteinu.
Funkce histonových modifikací
Byl popsán obrovský katalog histonových modifikací, ale funkční pochopení většiny dosud chybí. Předpokládá se, že souhrnně mohou histonové modifikace tvořit základ histonového kódu, přičemž kombinace histonových modifikací mají specifické významy. Většina funkčních údajů se však týká jednotlivých prominentních histonových modifikací, které jsou biochemicky přístupné podrobnému studiu.
Chemie modifikací histonu
Přidání jedné, dvou nebo tří methylových skupin k lysinu má malý vliv na chemii histonu; methylace ponechává náboj lysinu nedotčený a přidává minimální počet atomů, takže sterické interakce jsou většinou nedotčeny. Nicméně proteiny obsahující mimo jiné Tudorovu, chromo nebo PHD doménu mohou rozpoznat metylaci lysinu s vynikající citlivostí a rozlišovat mono, di a tri-methyl lysin do té míry, že u některých lysinů (např.: H4K20) mono, di a tri-mthylace mají zřejmě různé významy. Z tohoto důvodu bývá metylace lysinu velmi informativní a dominuje známým funkcím modifikace histonu.
To, co bylo řečeno výše o chemii metylace lysinu, platí také pro argininovou metylaci a některé proteinové domény – např. Tudorovské domény – mohou být specifické pro metyl arginin místo metyl lysinu. O argininu je známo, že je mono- nebo di-metylovaný a metylace může být symetrická nebo asymetrická, potenciálně s různými významy.
Přidání acetylové skupiny má hlavní chemický účinek na lysin, protože neutralizuje pozitivní náboj. Tím se snižuje elektrostatická přitažlivost mezi histonem a negativně nabitou DNA páteří, čímž se uvolňuje struktura chromatinu; vysoce acetylované histony tvoří dostupnější chromatin a bývají spojovány s aktivní transkripcí. Zdá se, že acetylace lysinu je méně přesná ve významu než methylace, protože histonacetyltransferázy mají tendenci působit na více než jeden lysin; pravděpodobně to odráží potřebu měnit více lysinů, aby měly významný vliv na strukturu chromatinu.
Přidání fosfátové skupiny s negativním nábojem může vést k velkým změnám ve struktuře bílkovin, což vede k dobře charakterizované roli fosforylace při kontrole funkce bílkovin. Není jasné, jaké strukturální důsledky má histonová fosforylace, ale histonová fosforylace má jasné funkce jako posttranslační modifikace a byly charakterizovány vazebné domény, jako je BRCT.
Funkce v transkripci
Většina dobře studovaných histonových modifikací se podílí na kontrole transkripce.
Aktivně přepsané geny
S aktivní transkripcí jsou spojeny zejména dvě histonové modifikace:
Trimethylace H3K4 je prováděna komplexem COMPASS. I přes zachování této komplexní a histonové modifikace z kvasinek na savce není zcela jasné, jakou roli tato modifikace hraje. Je však výbornou známkou aktivních promotorů a úroveň této histonové modifikace na promotoru genu široce koreluje s transkripční aktivitou genu. Vznik této značky je vázán na transkripci dosti spletitým způsobem: v rané fázi transkripce genu prochází RNA polymeráza II přechodem od iniciace“ k „elongaci“, vyznačující se změnou fosforylačních stavů RNA polymerázy II C koncové domény (CTD). Stejný enzym, který fosforyluje CTD, rovněž fosforyluje komplex Rad6, který zase přidává ubiquitinovou značku k H2B K123 (K120 u savců). H2BK123Ub se vyskytuje ve všech transkribovaných oblastech, ale tato značka je vyžadována pro COMPASS na trimethylát H3K4 u promotorů.
Trimethylace H3K36 je deponována methyltransferázou Set2. Tato bílkovina se spojuje s prodlužující se RNA polymerázou II a H3K36Me3 svědčí o aktivně transkribovaných genech. H3K36Me3 je rozpoznán komplexem histondeacetylázy Rpd3, který odstraňuje acetylové modifikace z okolních histonů, zvyšuje zhutnění chromatinu a potlačuje nepravdivou transkripci. Zvýšené zhutnění chromatinu zabraňuje transkripčním faktorům v přístupu k DNA a snižuje pravděpodobnost vzniku nových transkripčních událostí v těle genu. Tento proces proto pomáhá zajistit, aby transkripce nebyla přerušena.
Tato histonová modifikace je deponována polykombním komplexem PRC2. Je to jasný marker genové represe a je pravděpodobně vázán jinými proteiny, které vykonávají represivní funkci. Další polykombní komplex, PRC1, může vázat H3K27Me3 a přidává histonovou modifikaci H2AK119Ub, která napomáhá zhutnění chromatinu. Na základě těchto údajů se zdá, že PRC1 je rekrutován působením PRC2, nicméně nedávné studie ukazují, že PRC1 je rekrutován na stejná místa v nepřítomnosti PRC2.
H3K9Me2/3 je dobře charakterizovaný marker pro heterochromatin, a proto je silně spojen s genovou represí. Tvorba heterochromatinu byla nejlépe studována v kvasinkách Schizosaccharomyces pombe, kde je iniciována rekrutací RNA-indukovaného transkripčního tlumícího komplexu na dvouvláknové RNA produkované z centromerních opakování. RITS rekrutuje histonmethyltransferázu Clr4, která deponuje H3K9Me2/3. H3K9Me2/3 slouží jako vazebné místo pro rekrutaci Swi6 (heterochromatinový protein 1 nebo HP1, další klasický heterochromatinový marker), který zase rekrutuje další represivní aktivity včetně histonových modifikátorů, jako jsou histonové deacetylázy a histonmethyltransferázy.
Tato modifikace je úzce spojena s heterochromatinem, i když jeho funkční význam zůstává nejasný. Tato značka je umístěna Suv4-20h methyltransferázou, která je alespoň částečně rekrutována heterochromatinovým proteinem 1.
Analýza modifikací histonu v embryonálních kmenových buňkách (a dalších kmenových buňkách) odhalila mnoho genových promotorů nesoucích H3K4Me3 i H3K27Me3, jinými slovy, tyto promotory vykazují současně aktivační i represivní znaky. Tato zvláštní kombinace modifikací označuje geny, které jsou připraveny k transkripci; nejsou vyžadovány v kmenových buňkách, ale jsou rychle vyžadovány po diferenciaci do některých linií. Jakmile se buňka začne diferencovat, jsou tyto bivalentní promotory v závislosti na zvolené linii rozlišeny buď na aktivní, nebo represivní stavy.
Fosforylovaný H2AX (také známý jako gama H2AX) je marker dvouvláknových zlomů DNA a tvoří součást reakce na poškození DNA. H2AX je fosforylován brzy po detekci dvouvláknového zlomu DNA a tvoří doménu rozšiřující mnoho kilobaz po obou stranách poškození. Gama H2AX působí jako vazebné místo pro protein MDC1, který zase rekrutuje klíčové proteiny opravy DNA (toto komplexní téma je dobře recenzováno) a jako takový tvoří gama H2AX životně důležitou součást strojírenství, které zajišťuje stabilitu genomu.
H3K56Acx je nutný pro stabilitu genomu. H3K56 je acetylován komplexem p300/Rtt109, ale je rychle deacetylován kolem míst poškození DNA. Acylace H3K56 je nutná také pro stabilizaci zastavených replikačních vidlic, aby se zabránilo nebezpečným kolapsům replikačních vidlí. H3K56 je acetylován p300/Rtt109. Přestože savci obecně využívají modifikace histonu mnohem více než mikroorganismy, hlavní role H3K56Ac v replikaci DNA existuje pouze u hub, a to se stalo cílem pro vývoj antibiotik.
Karyotyp – Ploidy – Meiosis
Autosome – Pohlavní chromozom
Chromozomální inverze – Chromozomální translokace – Polyploidie – Paleopolyploidie
Chromatin (euchromatin, heterochromatin)
Histon (H1, H2A, H2B, H3, H4)
Centromera (A, B, C1, C2, E, F, H, I, J, K, M, N, O, P, Q, T)
Nukleozom – Telomera – Chromatid