Histoonid
Histoonid on väiksed aluselised valgud (koosnevad 102–135 aminohappest), mida leidub eukarüootide tuumas.[1] Need on põhilised kromatiini valgud, mille ümber keerdub DNA ja need mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis. Histoonide funktsiooniks on osaleda DNA kokkupakkimisel, et viimane mahuks rakutuuma. Näiteks inimese iga rakk sisaldab lahtikeeratult umbes 1,8 meetrit DNA-d, aga kui DNA keerdub histoonide ümber, siis moodustunud kromatiini suurus on umbes 90 mikromeetrit.[2]
Klassifikatsioon
Viis peamist histooni on H1/H5, H2A, H2B, H3 ja H4.[3][4] Nukleosoomsed histoonid on H2A, H2B, H3 ja H4. H1 ja H5 nukleosoomide vahelise alaga seonduvad histoonid.Nukleosoomi südamiku moodustavad nukleosoomsed histoonid, mida leidub nukleosoomis igat molekuli 2 eksemplari, seega on nukleosoomi südamikus kokku 8 histooni molekuli. Ümber nukleosoomi südamiku kerdub 147 aluspaari pikkune DNA lõik 1,65 korda.[5] Kahe nukleosoomi vahele jääb DNA lõik (5,9 – 7 nm) kuhu seondub histoon H1, mis vastutab DNA pakkimise eest kõrgemat järku struktuuridesse. Histoonide abil kokku pakitud DNA struktuuri nimetatakse kromatiiniks. Kromatiinis on nukleosoomidega DNA pakitud fiibriks, mille läbimõõt on 0,3 mikromeetrit.
Nukleosoomi struktuur
Nukleosoomi südamiku moodustavad kaks H2A-H2B dimeeri ja H3-H4 tetrameer, need kaks dimeeri ja tetrameer moodustavad omavahel peaaegu sümmeetrilised osad.[5] Neljal südamikuhistoonil on suhteliselt sarnane struktuur ja nad on evolutsiooni käigus tugevalt konserveerunud.Kasutades elektronide paramagneetilise resonantsi spinnide märgistamise tehnoloogiat, mõõtsid Briti teadlased nukleosoomide vaheline kauguse, mis on 59 – 70 Å.[6]On olemas viit tüüpi histoon-DNA interaktsioone:
- Heliks-dipool, mis tekib α-heeliksis, DNA, H2B,H3 ja H4 vahel. See interaktsioon põhjustab positiivse laengu kogunemine negatiivselt laetud fosfatrühma kõrval.
- Vesinikside DNA ja histoonide amiidirühma vahel.
- Mittepolaarne interaktsioon histooni ja DNA desoksüriboosi vahel.
- Elektrostaatiline vastastikmõju ja vesinikside aluselise aminohappe (eriti lüsiin ja arginiin) ja DNA fosfaatrühma vahel.
- Mittespetsiifiline H3 ja H2B N-terminaalsete sabade seondumine DNA molekuli väikese vaoga.
Histoonid läbivad post-translatsioonilisi modifikatsioone, millest enamik toimub nende N-terminaalsetel sabadel. Histoonidel esineb erinevaid post-translatsioonilisi modifikatsioone, millest levinumad on metüleerimine, atsetüleerimine, forsforüleerimine, sumoüleerimine, ubikvitineerimine, ADP-ribosüleerimine. Need protsessid osalevad geenide regulatsioonis.
Ajalugu
Histoonid avastas 1884. aastal Albrecht Kossel. Kuni 1990-ndate alguseni arvati, et histoonid on eukarüotse DNA pakkematerjal, sest sel ajal usuti, et transkriptsiooni aktiveerib valk-DNA ja valk-valk interaktsioon koos palja DNAga, nagu bakteris. Michael Grunstein näitas 1980ndatel pärmirakkudega töötades, et eukarüootsed histoonid represseerivad geenide transkriptsiooni ja transkriptsiooni aktivaatorite funktsioon on ületada see repressioon.[7] Tänapäeval teame, et histoonidel on geeniekspressioonis nii positiine kui ka negatiivne roll.
Funktsioon
Post-translatsioonilised modifikatsioonid
Post-translatsioonilised modifikatsioonid mõjutavad histoonide interaktsioone DNA ja tuuma valkudega. Histoonidel H3 ja H4 on pikad sabad, mis ulatuvad nukleosoomist välja ja mida saab mitmest kohast kovalentselt modifitseerida. H2A, H2B ja H3 histoonide puhul on võimalik ka histooni tuumas asuvate aminohapete modifitseerimine. Samal ajal võib toimuda ühel histoonil/nukleosoomil mitu modifikatsiooni ja need kombinatsioonid moodustavad niinimetatud histooni koodi.[8][9] Erinevad modifikatsioonid mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis, DNA reparatsioonis, kromosoomi kondensatsioonis (mitoos) ja spermatogeneesis (meioos).Histoonide modifikatsioonide kirjeldamiseks kasutatav nomenklatuur:
- Histooni nimi (H3, H4, H2A, H2B, H1)
- Aminohappejäägi nime tähistamiseks kasutatakse suurt tähte (näiteks K-lüsiin) ja number selle järel näitab aminohappejäägi positsiooni valgus.
- Modifikatsiooni tüüp (Me: metüülrühm, P: fosfaatrühm, Ac: atsetüülrühm, Ub: ubikvitiin)
- Modifikatsioonide arv (ainult metülatsiooni kohta: 1,2 või 3 – mono-, di-, tri-metülatsioon)
Histoonide modifikatsioonid transkriptsiooni regulatsioonis:
| Modifikatsioonide tüüp | Histoonid | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H3K4 | H3K9 | H3K14 | H3K27 | H3K79 | H4K20 | H2BK5 | |
| mono-metülatsioon | aktivatsioon[10] | aktivatsioon[11] | aktivatsioon[11] | aktivatsioon[11][12] | aktivatsioon[11] | aktivatsioon[11] | |
| di-metülatsioon | repressioon[13] | repressioon[13] | aktivatsioon[12] | ||||
| tri-metülatsioon | aktivatsioon[14] | repressioon[11] | repressioon[11] | aktivatsioon,[12] repressioon[11] | repressioon[13] | ||
| atsetülatsioon | aktivatsioon[14] | aktivatsioon[14] | |||||
Geenide transkriptsioon
Aktiivse transkriptsiooniga seostatakse tavaliselt kaht histoonide modifikatsiooni:
H3K4 trimetülatsiooni viib läbi COMPASS kompleks.[18][19][20] Vaatamata selle kompleksi säilitamisele, ei ole täiesti selge, mis rolli see modifikatsioon mängib transkriptsioonis. See on siiski hea aktiivse promootori märk ja selle histooni modifikatsiooni tase geeni promootoralas on korrelatsioonis geeni transkriptsiooni aktiivsusega.
- H3K36Me3 (histooni H3 lüsiini 36 trimetülatsioon) aktiivse geeni kodeerivas alas.
H3K36 trimetülatsioon toimub tänu ensüümile metüültransferaas SET2.[21] See valk seostub RNA polümeraas II ja H3K36Me3 tähistab aktiivset geeni traskribeerimist.[22] H3K36Me3 märgise tunneb ära Rpd3 histooni deatsetülaasi kompleks, mis eemaldab atsetüülgrupid ümbritsevatelt histoonidelt, aidates seeläbi kromatiini kokku pakkida ning takistab transkriptsiooni algatamist valest kohast.[23][24][25] Kromatiini pakkumine takistab transkriptsioonifaktorite juurdepääsu DNA-le ja vähendab uue transkriptsioonitsükli algamise tõenäosust. See protsess aitab seega tagada, et transkriptsioon ei katke.
Geenide represseerimine
Geenide represseerimisega seostatakse tavaliselt kolme histoonide modifikatsiooni:
- Histooni H3 lüsiin 27 trimetülatsioon (H3K27Me3)
- Histoonide H3 lüsiin 9 di- ja trimetülatsioon (H3K9Me2/3)
H3K9Me2/3 on heterokromatiini iseloomustav märge ning see modifikatsioon on tugevalt seotud geeni repressiooniga. Heterokromatiini moodustumist on kõige põhjalikumalt uuritud pärmis Schizosaccharomyces pombe.[26] H3K9Me2/3 toimib seondumise kohana Sw6-le (heterokromatiin 1 või HP1, teine klassikaline heterokromatiini marker), mis omakorda põhjustab repressiooni, olles signaaliks histooni modifikaatoritele, nagu histoonide deatsetülaas ja histoonide metüültransferaas.
- Histooni H3 lüsiin 20 trimetülatsioon (H4K20Me3)
See modifikatsioon on tihedalt seotud heterokromatiiniga, aga selle funktsionaalne tähtsus on siiani ebaselge.[27][28]
Bivalentsed promootorid
Histoonide modifikatsioonide analüüs embrüonaalsetes tüvirakkudes (ja teistes tüvirakkudes) näitas, et paljude geenide promootorid omavad nii H3K4Me3 kui ka H3K27Me3 modifikatsioone. Teiste sõnadega on promootoritel üheaegselt nii transkriptsiooni aktivatsiooni kui ka repressiooni toetavad histoonide modifikatsioonid. See omapärane kombinatsioon tähistab geene, mis on tasakaalus transkriptsiooniks. Need modifikatsioonid pole vajalikud tüvirakkudele, kuid äärmiselt vajalikud pärast diferentseerumist. Kui rakud hakkavad diferentseeruma, siis bivalentsete promootorite aktivatsiooni või repressiooni kaudu toimub rakkude tüübi määramine. Vastavalt keskkonnast tulevatele signaalidele toimub teatud geenide aktivatsioon või repressioon.[29]
Teised funktsioonid
DNA kahjustus
- Histooni H2AX seriin 139 fosforülisatsioon
Fosforüleeritud H2AX (gamma H2AX) on DNA kaheahelalise kahjustuse marker.[30] H2AX fosforüleeritakse kohe pärast DNA ahelate katke tuvastamist. Siis moodustatakse pikendatud domeen (palju kilobase) kahjustamise kohast mõlemal pool.[30][31][32] Gamma H2AX toimib seondumise kohana valku MDC1-ks, mis omakorda värbab DNA parandamises osalevad valgud. Seega moodustab gamma H2AX olulise osa DNA reparatsiooni mehhanismis, mis tagab genoomi stabiilsust.[33]
- Histoonide H3 lüsiin 56 atsetülatsioon (H3K56Ac)
H3K56Ac on vajalik genoomi stabiilsuse tagamiseks.[34][35] H3K56 atsetüleerib p300/Rtt109 kompleksi. H3 K56 deatsetüleeritakse kiiresti piirkonnas, kus esineb DNA kahjustus. H3K56 atsetülatsioon on vajalik ka replikatsioonikahvlite stabiliseerimiseks.[36][37]