Гистоны

Гистоны входят в состав ядер клеток. Их присутствие является отличительной чертой между одноклеточными организмами (бактериями) и многоклеточными организмами (людьми, животными или растениями). Очень немногие бактериальные штаммы имеют белки, похожие на гистоны. Эволюция привела к появлению гистонов, чтобы лучше и эффективнее приспособить очень длинную цепь ДНК, также известную как генетический материал, в клетках высших живых существ. Потому что, если бы человеческий геном был размотан, он был бы примерно 1-2 м в длину, в зависимости от клеточной стадии, на которой находится клетка.

Что такое гистоны?

У более высокоразвитых живых существ гистоны находятся в ядрах клеток и содержат большое количество положительно заряженных аминокислот (особенно лизина и аргинина). Белки-гистоны делятся на пять основных групп - H1, H2A, H2B, H3 и H4. Аминокислотные последовательности четырех групп H2A, H2B, H3 и H4 практически не различаются у разных живых существ, в то время как для H1, связывающего гистона, различий больше. В случае содержащих ядро ​​эритроцитов птиц, H1 даже был полностью заменен другой основной группой гистонов, называемой H5.

Большое сходство последовательностей в большинстве гистоновых белков означает, что в большинстве организмов «упаковка» ДНК происходит одинаково, и получающаяся трехмерная структура одинаково эффективна для функции гистонов. В ходе эволюции развитие гистонов должно было произойти очень рано и должно было поддерживаться даже до появления млекопитающих или людей.

Анатомия и строение

Как только новая цепь ДНК образуется из отдельных оснований (называемых нуклеотидами) в клетке, ее необходимо «упаковать». Для этого димеризуются гистоновые белки, каждый из которых затем образует два тетрамера. Наконец, гистоновое ядро ​​состоит из двух тетрамеров, октамера гистонов, вокруг которого цепь ДНК обвивается и частично проникает в нее. Октамер гистонов теперь расположен в трехмерной структуре внутри скрученной цепи ДНК.

Восемь гистоновых белков и окружающая их ДНК образуют полный комплекс нуклеосомы. Область ДНК между двумя нуклеосомами называется линкерной ДНК и состоит примерно из 20-80 нуклеотидов. Линкерная ДНК отвечает за «вход» и «выход» ДНК в октамер гистонов. Таким образом, нуклеосома состоит из примерно 146 нуклеотидов, линкерного компонента ДНК и восьми гистоновых белков, так что 146 нуклеотидов оборачиваются 1,65 раза вокруг октамера гистонов.

Кроме того, каждая нуклеосома связана с молекулой H1, так что точки входа и выхода ДНК удерживаются вместе с помощью связывающего гистона, и компактность ДНК увеличивается. Нуклеосома имеет диаметр около 10-30 нм. Многие нуклеосомы образуют хроматин, длинную цепь ДНК-гистона, которая под электронным микроскопом выглядит как жемчужная нить. Нуклеосомы - это «жемчужины», которые окружены или связаны цепочкой ДНК.

Ряд негистоновых белков поддерживают образование отдельных нуклеосом или всего хроматина, который в конечном итоге формирует отдельные хромосомы, когда клетка должна делиться. Хромосомы - это максимальный тип сжатия хроматина, который можно распознать с помощью световой микроскопии во время деления ядра клетки.

Функции и задачи

Как упоминалось выше, гистоны - это основные белки с положительным зарядом, поэтому они взаимодействуют с отрицательно заряженной ДНК посредством электростатического притяжения. ДНК «обвивается» вокруг октамеров гистонов, так что ДНК становится более компактной и помещается в ядро ​​каждой клетки. H1 выполняет функцию сжатия структуры хроматина более высокого уровня и в основном предотвращает транскрипцию и, следовательно, трансляцию, то есть трансляцию этой части ДНК в белки через мРНК.

В зависимости от того, находится ли клетка «в состоянии покоя» (в межфазной фазе) или в процессе деления, хроматин более или менее конденсирован, т.е. упакован. В интерфазе большие части хроматина менее конденсированы и поэтому могут транскрибироваться в мРНК, т.е. считываться и позже транслироваться в белки. Гистоны регулируют активность отдельных генов в непосредственной близости от них и позволяют транскрипцию и создание цепей мРНК.

Когда клетка начинает делиться, ДНК не переводится в белки, а равномерно распределяется между двумя создаваемыми дочерними клетками. Таким образом, хроматин сильно конденсирован и дополнительно стабилизирован гистонами. Хромосомы становятся видимыми и могут быть распределены по вновь появляющимся клеткам с помощью многих других негистоновых белков.

болезни

Гистоны необходимы для создания нового живого существа. Если из-за мутаций в гистоновых генах один или несколько гистоновых белков не могут образоваться, этот организм становится нежизнеспособным и дальнейшее развитие прекращается преждевременно. Это в основном связано с высокой консервативностью гистонов.

Однако уже некоторое время известно, что мутации в различных гистоновых генах опухолевых клеток могут возникать у детей и взрослых с различными злокачественными опухолями головного мозга. Мутации гистоновых генов описаны особенно в так называемых глиомах. В этих опухолях также были обнаружены удлиненные хвосты хромосом. Эти концевые участки хромосом, называемые теломерами, обычно отвечают за долговечность хромосом. В этом контексте кажется, что удлиненные теломеры в опухолях с гистоновыми мутациями дают этим дегенерированным клеткам преимущество в выживании.

Между тем известны другие типы рака, которые имеют мутации в различных гистоновых генах и, таким образом, продуцируют мутированные гистоновые белки, которые не выполняют или только плохо выполняют свои регуляторные функции. Эти результаты в настоящее время используются для разработки форм терапии особенно злокачественных и агрессивных опухолей.