HISTONES: ĐẶC ĐIỂM, CẤU TRÚC, LOẠI VÀ CHỨC NĂNG - SINH HỌC - 2024

Các histon là những protein cơ bản tương tác với DNA để hình thành các nucleosom, tạo nên các sợi nhiễm sắc của nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thực.

Nucleosomes, phức hợp được tạo thành từ DNA và protein, được phát hiện vào năm 1974 và chính các histone là cơ sở lắp ráp tổ chức nhiễm sắc ở mức cơ bản này. Tuy nhiên, sự tồn tại của protein histone đã được biết đến từ trước những năm 1960.

Biểu diễn đồ họa của một nucleosome với trung tâm bát phân gồm các histon và DNA cuộn quanh nó (Nguồn: Jawahar Swaminathan và nhân viên MSD tại Viện Tin sinh học Châu Âu qua Wikimedia Commons)

Các histone được tổ chức theo cách mà DNA sợi đôi bao bọc xung quanh trung tâm protein bao gồm các protein này tương tác chặt chẽ với nhau. Trung tâm của histone có hình đĩa và DNA đi khoảng 1,7 lần.

Nhiều liên kết hydro cho phép DNA liên kết với trung tâm protein được tạo thành bởi các histon trong mỗi nucleosome. Phần lớn các liên kết này được hình thành giữa xương sống axit amin của histon và xương sống đường-photphat của ADN. Một số tương tác kỵ nước và liên kết ion cũng tham gia.

Protein được gọi là "phức hợp tái cấu trúc nhiễm sắc" chịu trách nhiệm phá vỡ và hình thành các liên kết nối giữa DNA và histone, cho phép bộ máy phiên mã xâm nhập vào DNA chứa trong nucleosom.

Mặc dù có sự gần gũi của các axit nucleic với trung tâm protein được tạo thành bởi các histon, chúng được sắp xếp theo cách mà nếu cần, chúng cho phép sự xâm nhập của các yếu tố phiên mã và các protein khác liên quan đến biểu hiện gen hoặc làm im lặng gen. .

Các histon có thể trải qua nhiều sửa đổi khác nhau tạo ra nhiều biến thể, khiến cho sự tồn tại của nhiều dạng nhiễm sắc thể khác nhau có đặc tính điều chỉnh sự biểu hiện gen theo những cách khác nhau.

nét đặc trưng

Chúng là một trong những protein sinh vật nhân chuẩn được bảo tồn tốt nhất trong tự nhiên. Ví dụ, histone H4 của hạt đậu đã được chứng minh là chỉ khác nhau ở hai trong số 102 vị trí axit amin của protein H4 của bò.

Histone là những protein tương đối nhỏ, không có nhiều hơn 140 axit amin. Chúng rất giàu gốc axit amin cơ bản, vì vậy chúng có điện tích dương thuần, góp phần tương tác giữa chúng với axit nucleic mang điện tích âm để hình thành các nucleosom.

Các histone hạt nhân và bắc cầu đã được biết đến. Các histon nucleosomal là H3, H4, H2A và H2B, trong khi các histone liên kết thuộc họ histone H1.

Trong quá trình lắp ráp nucleosome, các dimer cụ thể H3-H4 và H2A-H2B được hình thành ban đầu. Sau đó hai chất dimer H3-H4 liên kết với nhau để tạo thành tetrame mà sau đó kết hợp với chất dimer H2A-H2B, tạo thành tâm octameric.

Tất cả các histon được tổng hợp chủ yếu trong giai đoạn S của chu kỳ tế bào, và các thể nhân được lắp ráp trong các chuỗi xoắn DNA mới ra đời, ngay sau ngã ba sao chép.

Kết cấu

Cấu trúc chung của histon bao gồm một vùng axit amin cơ bản và một vùng cacboxyl hình cầu được bảo tồn cao trong các sinh vật nhân thực.

Một mô-típ cấu trúc được gọi là "nếp gấp histone", bao gồm ba vòng xoắn alpha được nối với nhau bởi hai chiếc kẹp tóc và tạo thành một trung tâm kỵ nước nhỏ, chịu trách nhiệm cho sự tương tác protein-protein giữa các histone tạo nên nucleosome.

Chính nếp gấp của histon này tạo nên miền cacboxyl hình cầu của các protein nucleosomal này ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn.

Các histon cũng có các "đuôi" nhỏ hoặc đầu tận cùng amin và các vùng tận cùng cacboxyl khác (có thể tiếp cận với các protease), dài không quá 40 axit amin. Cả hai vùng đều giàu axit amin cơ bản có thể trải qua nhiều biến đổi cộng hóa trị sau dịch mã.

Lịch sử ràng buộc

Ở sinh vật nhân thực có hai họ histôn liên kết, phân biệt với nhau bởi cấu trúc của chúng. Một số có cấu trúc ba bên, với miền hình cầu được mô tả ở trên được bao bọc bởi miền đầu N và C "không có cấu trúc"; trong khi những người khác chỉ có miền C-terminal.

Mặc dù hầu hết các histon được bảo tồn, trong quá trình hình thành phôi hoặc trưởng thành của các tế bào chuyên biệt ở một số sinh vật, một số biến thể cụ thể có thể phát sinh. Một số biến thể cấu trúc liên quan đến các sửa đổi sau dịch mã như sau:

- Sự phosphoryl hóa : nó được cho là có liên quan đến việc thay đổi mức độ ngưng tụ của chất nhiễm sắc và nó xảy ra phổ biến trong các cặn serine.

- Acetyl hóa : liên kết với các vùng nhiễm sắc thể hoạt động phiên mã. Nó thường xảy ra trên các chuỗi bên của dư lượng lysine. Khi nó xảy ra trên các phần dư này, điện tích dương của chúng giảm, do đó làm giảm ái lực của protein đối với DNA.

- Sự metyl hóa : có thể xảy ra dưới dạng mono-, di- hoặc trimethyl hóa các gốc lysine nhô ra khỏi lõi protein.

Các enzym cụ thể chịu trách nhiệm tạo ra các biến đổi cộng hóa trị này trong histon. Các enzym này bao gồm histone acetyl transferase (HATs), phức hợp histone deacetylases (HDACs), và histone methyltransferase và demethylases.

Các loại

Việc xác định đặc tính của histon đã được thực hiện bằng nhiều kỹ thuật sinh hóa khác nhau, trong đó nổi bật là phương pháp sắc ký dựa trên nhựa trao đổi cation yếu.

Một số tác giả thiết lập một hình thức phân loại trong đó 5 loại histon chính được phân biệt ở sinh vật nhân chuẩn: FI, với 21 kDa protein; F2A1 hoặc FIV, cộng hoặc trừ 11,3 kDa; F2A2 hoặc FIIbI, 14,5 kDa; F2B hoặc FIIb2, với trọng lượng phân tử là 13,7 kDa, và F3 hoặc FIII, là 15,3 kDa.

Tất cả các loại histon này, ngoại trừ nhóm IF, được tìm thấy với số lượng bằng nhau trong tế bào.

Một phân loại khác, có giá trị tương tự và có lẽ được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, đề xuất sự tồn tại của hai loại histon khác nhau, đó là: những loại là một phần của octamer của nucleosome và các histon liên kết hoặc cầu nối, nối các nucleosom giữa Đúng.

Một số biến thể cũng có thể xảy ra giữa các loài và không giống như histon lõi, các biến thể được tổng hợp trong thời gian giữa các pha và được đưa vào chất nhiễm sắc đã được định hình sẵn thông qua một quá trình phụ thuộc vào năng lượng giải phóng từ quá trình thủy phân ATP.

Các histon nucleosomal

Trung tâm của một nucleosome bao gồm một cặp của từng loại trong số bốn histone cấu thành: H2a, H2b, H3 và H4; trên đó các đoạn DNA của khoảng 145 cặp bazơ được quấn.

Về nguyên tắc, histon H4 và H2B là bất biến. Tuy nhiên, một số biến thể có thể thấy rõ ở các histon H3 và H2A, chúng có các đặc tính lý sinh và sinh hóa làm thay đổi bản chất bình thường của nucleosome.

Một biến thể của histone H2A ở người, protein H2A.Z sở hữu một vùng axit lớn và có thể thúc đẩy sự ổn định của nucleosome tùy thuộc vào các biến thể histone H3 mà nó liên kết.

Các histon này cho thấy một số sự thay đổi giữa các loài, một trường hợp đặc biệt là histone H2B, mà một phần ba đầu tiên của phân tử rất thay đổi.

Lịch sử ràng buộc

Các lịch sử liên kết hoặc bắc cầu là các lịch sử lớp H1. Chúng chịu trách nhiệm cho sự kết hợp giữa các nucleosom và bảo vệ DNA nhô ra ở đầu và cuối mỗi hạt.

Không giống như các histon nucleosomal, không phải tất cả các histone loại H1 đều sở hữu vùng hình cầu của "nếp gấp" histone. Các protein này liên kết với DNA giữa các nucleosom, tạo điều kiện cho sự thay đổi cân bằng nhiễm sắc theo hướng cô đặc hơn và ít hoạt động hơn, nói theo cách phiên mã.

Các nghiên cứu đã liên kết các histones này với quá trình lão hóa, sửa chữa DNA và quá trình apoptotic, đó là lý do tại sao chúng được cho là đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì tính toàn vẹn của bộ gen.

Đặc trưng

Tất cả các gốc axit amin của histon, bằng cách này hay cách khác, tham gia vào tương tác của chúng với DNA, điều này giải thích thực tế là chúng được bảo tồn rất nhiều trong các vương quốc của sinh vật nhân chuẩn.

Sự tham gia của histon vào quá trình đóng gói DNA ở dạng nhiễm sắc có liên quan rất lớn đối với các sinh vật đa bào phức tạp, trong đó các dòng tế bào khác nhau chỉ có thể chuyên biệt hóa bằng cách thay đổi khả năng tiếp cận của gen của chúng với bộ máy phiên mã.

Các vùng gen hoạt động phiên mã dày đặc trong các thể nhân, cho thấy rằng sự liên kết của DNA với các protein histone là rất quan trọng đối với sự điều hòa âm tính hoặc tích cực của quá trình phiên mã của chúng.

Tương tự như vậy, trong suốt vòng đời của tế bào, phản ứng với một số lượng lớn các kích thích, cả bên trong và bên ngoài, phụ thuộc vào những thay đổi nhỏ trong chất nhiễm sắc, điều này thường liên quan đến quá trình tái cấu trúc và sửa đổi sau dịch mã của các histon được tìm thấy trong mối quan hệ chặt chẽ với DNA.

Nhiều biến histone phục vụ các chức năng khác nhau ở sinh vật nhân chuẩn. Một trong số chúng liên quan đến sự tham gia của một biến thể của histone H3 trong việc hình thành các cấu trúc tâm động chịu trách nhiệm cho sự phân ly của các nhiễm sắc thể trong quá trình nguyên phân.

Phần đối của protein này ở các sinh vật nhân chuẩn khác đã được chứng minh là cần thiết cho việc lắp ráp kinetochore protein mà các vi ống trục liên kết trong quá trình nguyên phân và meiosis.

Người giới thiệu

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Sinh học phân tử của tế bào (xuất bản lần thứ 6). New York: Khoa học Garland.
2. Campos, EI, & Reinberg, D. (2009). Histones: Chú thích Chromatin. Annu. Rev. Genet. , 43, 559–599.
3. Harvey, AC, & Downs, JA (2004). Các chức năng mà lịch sử trình liên kết cung cấp? Vi sinh phân tử, 53, 771–775.
4. Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Tập hợp các Histone biến thể vào Chromatin. Annu. Rev. Tế bào. Dev. Biol., 21, 133-153.
5. Isenberg, I. (1979). Các lịch sử. Annu. Rev. Biochem. , 48, 159–191.
6. Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974). Cấu trúc nhiễm sắc: Oligomer của Histones. Khoa học, 184 (4139), 865-868.
7. Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). Hóa học và Sinh học của Histones. Nhận xét Sinh lý học, 50 (2), 159–170.