ฮิสโตนเป็นโปรตีนพื้นฐานที่ทำปฏิกิริยากับดีเอ็นเอเพื่อสร้างนิวคลีโอโซมซึ่งสร้างเส้นใยโครโมโซมที่เป็นองค์ประกอบของโครโมโซมในยูคาริโอต
นิวคลีโอโซมคอมเพล็กซ์ที่ประกอบด้วยดีเอ็นเอและโปรตีนถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2517 และเป็นฮิสโตนที่ประกอบองค์กรโครมาตินระดับพื้นฐานนี้ อย่างไรก็ตามการดำรงอยู่ของโปรตีนฮิสโตนเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่ก่อนทศวรรษที่ 1960
การแสดงภาพกราฟิกของนิวคลีโอโซมที่มีศูนย์กลางของฮิสโตนและดีเอ็นเอแปดเหลี่ยมขดอยู่รอบ ๆ (ที่มา: Jawahar Swaminathan และเจ้าหน้าที่ MSD ที่ European Bioinformatics Institute ผ่าน Wikimedia Commons)
ฮิสโตนถูกจัดระเบียบในลักษณะที่ดีเอ็นเอสองแถบพันรอบศูนย์โปรตีนซึ่งประกอบด้วยโปรตีนเหล่านี้ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดซึ่งกันและกัน ศูนย์กลางของฮิสโตนมีรูปร่างเป็นแผ่นดิสก์และดีเอ็นเอจะไปประมาณ 1.7 เท่า
พันธะไฮโดรเจนหลายพันธะช่วยให้ดีเอ็นเอจับกับศูนย์กลางโปรตีนที่เกิดจากฮิสโตนในนิวคลีโอโซมแต่ละตัว พันธะเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นระหว่างกระดูกสันหลังของกรดอะมิโนของฮิสโตนกับกระดูกสันหลังน้ำตาล - ฟอสเฟตของดีเอ็นเอ ปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ชอบน้ำและพันธะไอออนิกก็มีส่วนร่วมด้วย
โปรตีนที่เรียกว่า "chromatin remodeling complexes" มีหน้าที่ทำลายและสร้างจุดเชื่อมต่อระหว่าง DNA และฮิสโตนทำให้กลไกการถอดเสียงสามารถเข้าสู่ DNA ที่มีอยู่ในนิวคลีโอโซมได้
แม้จะมีความใกล้ชิดของกรดนิวคลีอิกกับศูนย์กลางโปรตีนที่เกิดจากฮิสโตน แต่ก็มีการจัดเรียงในลักษณะที่หากจำเป็นก็จะอนุญาตให้มีการเข้าสู่ปัจจัยการถอดความและโปรตีนอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการแสดงออกของยีนหรือการปิดปากของยีน .
ฮิสโตนสามารถผ่านการปรับเปลี่ยนต่างๆที่ทำให้เกิดตัวแปรหลายชนิดทำให้มีโครมาตินในรูปแบบต่างๆมากมายที่มีคุณสมบัติในการปรับการแสดงออกของยีนในรูปแบบต่างๆ
ลักษณะเฉพาะ
เป็นโปรตีนยูคาริโอตที่ได้รับการอนุรักษ์มากที่สุดชนิดหนึ่งในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น pea histone H4 แสดงให้เห็นว่ามีความแตกต่างกันเพียงสองตำแหน่งจากกรดอะมิโน 102 ตำแหน่งของโปรตีน H4 ของวัว
ฮิสโตนเป็นโปรตีนที่ค่อนข้างเล็กโดยมีกรดอะมิโนไม่เกิน 140 ชนิด พวกมันอุดมไปด้วยกรดอะมิโนพื้นฐานตกค้างดังนั้นพวกมันจึงมีประจุบวกสุทธิซึ่งก่อให้เกิดปฏิกิริยากับกรดนิวคลีอิกที่มีประจุลบเพื่อสร้างนิวคลีโอโซม
นิวคลีโอโซมอลและฮิสโตนบริดจ์เป็นที่รู้จักกัน ฮิสโตนนิวคลีโอโซมคือ H3, H4, H2A และ H2B ในขณะที่ฮิสโตนที่มีผลผูกพันเป็นของตระกูลฮิสโตน H1
ในระหว่างการประกอบนิวคลีโอโซมจะมีการสร้างไดเมอร์เฉพาะ H3-H4 และ H2A-H2B ขึ้นมา ตัวหรี่ H3-H4 สองตัวจากนั้นรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเทตราเมอร์ที่ต่อมารวมกับตัวหรี่ H2A-H2B จนกลายเป็นศูนย์แปดเหลี่ยม
ฮิสโตนทั้งหมดถูกสังเคราะห์ส่วนใหญ่ในช่วง S ของวัฏจักรเซลล์และนิวคลีโอโซมจะรวมตัวกันในเกลียวดีเอ็นเอที่เพิ่งตั้งไข่หลังจากส้อมจำลอง
โครงสร้าง
โครงสร้างทั่วไปของฮิสโตนประกอบด้วยบริเวณกรดอะมิโนพื้นฐานและบริเวณคาร์บอกซิลทรงกลมซึ่งได้รับการอนุรักษ์อย่างมากในหมู่สิ่งมีชีวิตยูคาริโอต
บรรทัดฐานโครงสร้างที่เรียกว่า "ฮิสโตนพับ" ประกอบด้วยเกลียวอัลฟาสามอันที่เชื่อมต่อกันด้วยหมุดสองอันและสร้างศูนย์กลางที่ไม่ชอบน้ำขนาดเล็กมีหน้าที่ในการปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนกับโปรตีนระหว่างฮิสโตนที่ประกอบเป็นนิวคลีโอโซม
มันเป็นส่วนพับของฮิสโตนที่ประกอบเป็นโดเมนคาร์บอกซิลทรงกลมของโปรตีนนิวคลีโอโซมเหล่านี้ในยูคาริโอตทั้งหมด
ฮิสโตนยังมี "หาง" ขนาดเล็กหรือขั้วอะมิโนและบริเวณขั้วคาร์บอกซิลอื่น ๆ (สามารถเข้าถึงโปรตีเอสได้) กรดอะมิโนยาวไม่เกิน 40 ชนิด ทั้งสองภูมิภาคอุดมไปด้วยกรดอะมิโนพื้นฐานที่สามารถปรับเปลี่ยนโคเวเลนต์หลังการแปลได้หลายครั้ง
ฮิสโตนที่มีผลผูกพัน
ในยูคาริโอตมีฮิสโตนที่มีผลผูกพันอยู่สองตระกูลซึ่งแตกต่างกันไปตามโครงสร้าง บางส่วนมีโครงสร้างแบบไตรภาคีโดยมีโดเมนทรงกลมที่อธิบายไว้ข้างต้นขนาบข้างด้วยโดเมน N- และ C-terminal แบบ "ไม่มีโครงสร้าง" ในขณะที่คนอื่นมีเฉพาะโดเมน C-terminal
แม้ว่าฮิสโตนส่วนใหญ่จะถูกเก็บรักษาไว้ แต่ในระหว่างการสร้างเอ็มบริโอหรือการเจริญเติบโตของเซลล์พิเศษในสิ่งมีชีวิตบางชนิดอาจเกิดความแตกต่างเฉพาะบางอย่าง รูปแบบโครงสร้างบางอย่างเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนหลังการแปลดังต่อไปนี้:
- ฟอสฟอรัส : คิดว่าเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนระดับการควบแน่นของโครมาตินและมักเกิดขึ้นในสารตกค้างของซีรีน
- Acetylation : เกี่ยวข้องกับบริเวณโครโมโซมที่มีการถอดความ โดยปกติจะเกิดขึ้นที่โซ่ด้านข้างของสารตกค้างของไลซีน เมื่อมันเกิดขึ้นกับสิ่งตกค้างเหล่านี้ประจุบวกจะลดลงดังนั้นจึงช่วยลดความสัมพันธ์ของโปรตีนสำหรับดีเอ็นเอ
- เมธิเลชั่น : อาจเกิดขึ้นเป็นโมโน, ได - หรือทริมเมทิลเลชันของไลซีนตกค้างที่ยื่นออกมาจากแกนโปรตีน
เอนไซม์เฉพาะมีหน้าที่ในการปรับเปลี่ยนโควาเลนต์ในฮิสโตน เอนไซม์เหล่านี้ ได้แก่ histone acetyl transferases (HATs), histone deacetylases complexes (HDACs) และ histone methyltransferases และ demethylases
ประเภท
การจำแนกลักษณะของฮิสโตนได้ดำเนินการโดยเทคนิคทางชีวเคมีต่าง ๆ ซึ่งโครมาโตกราฟฟีที่ขึ้นอยู่กับเรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่อ่อนแอมีความโดดเด่น
ผู้เขียนบางคนกำหนดรูปแบบการจำแนกซึ่งฮิสโตน 5 ประเภทหลักมีความโดดเด่นในยูคาริโอต: FI โดยมีโปรตีน 21 kDa F2A1 หรือ FIV บวกหรือลบ 11.3 kDa F2A2 หรือ FIIbI, 14.5 kDa; F2B หรือ FIIb2 ที่มีน้ำหนักโมเลกุล 13.7 kDa และ F3 หรือ FIII เท่ากับ 15.3 kDa
ฮิสโตนทุกประเภทเหล่านี้ยกเว้นกลุ่ม IF พบได้ในปริมาณที่เท่ากันในเซลล์
การจำแนกประเภทอื่นที่มีความถูกต้องเหมือนกันและอาจใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในปัจจุบันเสนอการมีอยู่ของฮิสโตนสองประเภทที่แตกต่างกันกล่าวคือสิ่งที่เป็นส่วนหนึ่งของอ็อกเทเมอร์ของนิวคลีโอโซมและฮิสโตนที่มีผลผูกพันหรือเชื่อมซึ่งรวมนิวคลีโอโซมระหว่าง ใช่.
สายพันธุ์บางชนิดสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างสายพันธุ์และต่างจากฮิสโตนหลักตัวแปรจะถูกสังเคราะห์ในช่วงระหว่างเฟสและถูกแทรกลงในโครมาตินที่สร้างไว้ล่วงหน้าผ่านกระบวนการที่ขึ้นอยู่กับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการย่อยสลาย ATP
ฮิสโตนนิวคลีโอโซม
ศูนย์กลางของนิวคลีโอโซมประกอบด้วยคู่ของฮิสโตนที่เป็นองค์ประกอบทั้งสี่ ได้แก่ H2a, H2b, H3 และ H4 ซึ่งส่วนของดีเอ็นเอประมาณ 145 คู่เบสเป็นแผล
โดยหลักการแล้ว Histones H4 และ H2B นั้นไม่แปรผัน อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงบางอย่างมีความชัดเจนในฮิสโตน H3 และ H2A ซึ่งคุณสมบัติทางชีวฟิสิกส์และทางชีวเคมีเปลี่ยนแปลงลักษณะปกติของนิวคลีโอโซม
รูปแบบของฮิสโตน H2A ในมนุษย์โปรตีน H2A.Z มีบริเวณที่เป็นกรดขนาดใหญ่และอาจส่งเสริมความเสถียรของนิวคลีโอโซมขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ฮิสโตน H3 ที่เกี่ยวข้อง
ฮิสโตนเหล่านี้แสดงความแปรปรวนระหว่างสิ่งมีชีวิตซึ่งเป็นกรณีพิเศษของฮิสโตน H2B ซึ่งหนึ่งในสามของโมเลกุลมีความแปรปรวนสูง
ฮิสโตนที่มีผลผูกพัน
ฮิสโตนที่มีผลผูกพันหรือเชื่อมโยงเป็นฮิสโตนระดับ H1 สิ่งเหล่านี้มีหน้าที่ในการรวมกันระหว่างนิวคลีโอโซมและการป้องกันดีเอ็นเอที่ยื่นออกมาที่จุดเริ่มต้นและตอนท้ายของแต่ละอนุภาค
ซึ่งแตกต่างจากนิวคลีโอโซมฮิสโตนไม่ใช่ฮิสโตนชนิด H1 ทั้งหมดที่มีบริเวณทรงกลมของฮิสโตน "พับ" โปรตีนเหล่านี้จับกับ DNA ระหว่างนิวคลีโอโซมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมดุลของโครมาตินไปสู่สภาวะที่ควบแน่นและแอคทีฟน้อยลง
การศึกษาได้เชื่อมโยงฮิสโตนเหล่านี้กับความชราการซ่อมแซมดีเอ็นเอและกระบวนการอะพอพโทติกซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพวกเขาจึงคิดว่ามีบทบาทสำคัญในการรักษาความสมบูรณ์ของจีโนม
คุณสมบัติ
การตกค้างของกรดอะมิโนทั้งหมดของฮิสโตนมีส่วนร่วมไม่ทางใดก็ทางหนึ่งในการมีปฏิสัมพันธ์กับดีเอ็นเอซึ่งอธิบายถึงความจริงที่ว่าพวกมันถูกอนุรักษ์ไว้ในอาณาจักรของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต
การมีส่วนร่วมของฮิสโตนในบรรจุภัณฑ์ของดีเอ็นเอในรูปแบบของโครมาตินนั้นมีความเกี่ยวข้องอย่างมากสำหรับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่ซับซ้อนซึ่งสายเซลล์ต่างๆสามารถเชี่ยวชาญได้โดยการเปลี่ยนการเข้าถึงยีนของพวกมันไปยังเครื่องจักรการถอดเสียงเท่านั้น
บริเวณจีโนมที่ใช้งานตามคำอธิบายมีความหนาแน่นในนิวคลีโอโซมซึ่งบ่งชี้ว่าการเชื่อมโยงของดีเอ็นเอกับโปรตีนฮิสโตนมีความสำคัญต่อการควบคุมการถอดความในเชิงลบหรือเชิงบวก
ในทำนองเดียวกันตลอดช่วงชีวิตของเซลล์การตอบสนองต่อสิ่งเร้าจำนวนมากทั้งภายในและภายนอกขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในโครมาตินซึ่งโดยปกติจะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงและการดัดแปลงหลังการแปลของฮิสโตนที่พบใน ความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับ DNA
ตัวแปรฮิสโตนหลายตัวทำหน้าที่ต่างกันในยูคาริโอต หนึ่งในนั้นเกี่ยวข้องกับการมีส่วนร่วมของฮิสโตน H3 ที่แตกต่างกันในการสร้างโครงสร้างเซนโทรเมอร์ที่รับผิดชอบในการแยกโครโมโซมระหว่างไมโทซิส
คู่ของโปรตีนนี้ในยูคาริโอตอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่ามีความจำเป็นสำหรับการรวมตัวของโปรตีนไคเนโตชอร์ที่ไมโครทูบูลสปินเดิลจับตัวกันระหว่างไมโทซิสและไมโอซิส
อ้างอิง
- Alberts, B. , Johnson, A. , Lewis, J. , Morgan, D. , Raff, M. , Roberts, K. , & Walter, P. (2015). อณูชีววิทยาของเซลล์ (6th ed.). นิวยอร์ก: วิทยาศาสตร์การ์แลนด์.
- Campos, EI, & Reinberg, D. (2009). Histones: การใส่คำอธิบายประกอบ Chromatin Annu รายได้ Genet , 43, 559–599
- Harvey, AC, & Downs, JA (2004). ลิงค์เกอร์ฮิสโตนมีฟังก์ชันอะไรบ้าง? จุลชีววิทยาโมเลกุล, 53, 771–775
- Henikoff, S. , & Ahmad, K. (2005). การประกอบฮิสโตนตัวแปรเป็นโครมาติน Annu Rev. เซลล์. Dev. จิตเวช, 21, 133-153
- Isenberg, I. (1979). histones Annu รายได้ Biochem , 48, 159–191
- Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974) โครงสร้างโครมาติน: โอลิโกเมอร์ของฮิสโตน วิทยาศาสตร์, 184 (4139), 865-868.
- Smith, E. , DeLange, R. , & Bonner, J. (1970). เคมีและชีววิทยาของ Histones Physiological Reviews, 50 (2), 159–170.