היסטונים הם חלבונים בסיסיים שיוצרים אינטראקציה עם DNA כדי ליצור נוקלאוזום, המהווים את קווצות המרכיבים הכרומטין של הכרומוזומים אאוקריוטים.
נוקלאוזומים, קומפלקסים המורכבים מ- DNA וחלבונים, התגלו בשנת 1974 ומדובר בהיסטונים המרכיבים רמה בסיסית זו של ארגון הכרומטין. עם זאת, קיומם של חלבוני היסטון ידוע עוד לפני שנות השישים.
ייצוג גרפי של נוקלאוזום עם מרכז אוקטאמר של היסטונים ו- DNA סביבו (מקור: Jawahar Swaminathan וצוות MSD במכון האירופי לביואינפורמטיקה דרך ויקימדיה Commons)
היסטונים מאורגנים בצורה כזו ש- DNA הדו-גדילתי עוטף סביב מרכז חלבון המורכב מחלבונים אלה המקיימים קשר הדוק זה עם זה. מרכז ההיסטונים הוא בצורת דיסק, ו- DNA נע סביב 1.7 פעמים.
קשרי מימן מרובים מאפשרים ל- DNA להיקשר למרכז החלבון שנוצר על ידי ההיסטונים בכל גרעין. קשרים אלה נוצרים, לרוב, בין עמוד השדרה של חומצות האמינו של היסטונים לבין עמוד השדרה הסוכר-פוספט של ה- DNA. כמה אינטראקציות הידרופוביות וקשרים יוניים משתתפים אף הם.
חלבונים המכונים "מתחמי שיפוץ כרומטין" אחראים על שבירת ויצירת חיבורי הצומת בין DNA להיסטונים, ומאפשרים למכונות התמלול להיכנס ל- DNA הכלול בגרעינים.
למרות הקרבה של חומצות גרעין למרכז החלבון שנוצר על ידי היסטונים, אלה מסודרים בצורה כזו שבמידת הצורך הם מאפשרים כניסה של גורמי שעתוק וחלבונים אחרים הקשורים לביטוי גנים או השתקת גנים .
היסטונים יכולים לעבור שינויים שונים המייצרים וריאנטים מרובים, מה שמאפשר קיומם של צורות רבות של כרומטין שיש להם תכונה של אפנון ביטוי גנים בדרכים שונות.
מאפיינים
הם אחד החלבונים האוקריוטיים השמורים ביותר בטבע. לדוגמה, הוכח כי היסטון אפונה H4 שונה רק בשניים מ -102 עמדות חומצות האמינו של חלבון H4 הפרה.
היסטונים הם חלבונים קטנים יחסית, ללא יותר מ- 140 חומצות אמינו. הם עשירים בשאריות חומצות אמיניות בסיסיות, ולכן יש להם מטען חיובי נטו, התורם לאינטראקציה שלהם עם חומצה גרעינית טעונה שלילית ליצירת נוקלאוזומים.
ידועים היסטונים של נוקלאוזומלים וגשרים. היסטונים גרעיניים נוקלאוזומליים הם H3, H4, H2A ו- H2B, ואילו ההיסטונים הקושרים שייכים למשפחת ההיסטונים H1.
במהלך הרכבת נוקלאוזומים נוצרים בתחילה דימרים ספציפיים H3-H4 ו- H2A-H2B. שני אזמרים H3-H4 מתחברים יחד ליצירת טטראמרים שמשתלבים מאוחר יותר עם דימרים H2A-H2B, ויוצרים את המרכז המתומן.
כל ההיסטונים מסונתזים בעיקר בשלב ה- S של מחזור התא, והנוקלאוזומים מורכבים בסלילי ה- DNA המתהווים, ממש לאחר מזלג ההעתקה.
מִבְנֶה
המבנה הכללי של היסטונים כולל אזור חומצות אמינו בסיסי ואזור קרבוקסיל כדורית, שמור מאוד בקרב אורגניזמים אוקריוטים.
מוטיב מבני המכונה "קפל היסטון", המורכב משלושה מסות אלפא המחוברות על ידי שתי סיכות שיער ויוצר מרכז הידרופובי קטן, אחראי על אינטראקציות החלבון-חלבון בין ההיסטונים המרכיבים את הגרעין.
זה קפל היסטונים זה שמרכיב את התחום הקרבוקסיל הכדורי של חלבונים גרעיניים אלה בכל האוקריוטים.
בהיסטונים יש גם "זנבות" קטנים או אזורים סופניים באמינו ובאזורים אחרים עם קרבוקסיל (נגיש לפרוטאזות), שאורכם אינו עולה על 40 חומצות אמינו. שני האזורים עשירים בחומצות אמינו בסיסיות שיכולות לעבור שינויים קוולנטיים לאחר התרגום.
היסטונים מחייבים
באוקריוטות ישנן שתי משפחות של היסטונים מחייבים, המבדלות זו מזו על ידי המבנה שלהן. לחלקם מבנה משולש, כאשר התחום הכדורי המתואר לעיל משולב בתחומים N- ו C- טרמינליים "לא מובנים"; בעוד שאחרים בעלי תחום מסופי C בלבד.
למרות שמרבית ההיסטונים נשמרים, וריאנטים ספציפיים עשויים להיווצר במהלך עוברת או התבגרות של תאים מיוחדים באורגניזמים מסוימים. כמה וריאציות מבניות קשורות לשינויים שלאחר התרגום, כגון:
- זרחן : סבורים שזה קשור לשינוי בדרגת העיבוי של הכרומטין ומתרחש בדרך כלל בשאריות סרין.
- אצטילציה : קשורה לאזורים כרומוזומלים הפעילים לתמלול. זה בדרך כלל מופיע בשרשראות הצדדיות של שאריות ליזין. עם התרחשותם של שאריות אלה המטען החיובי שלהם יורד, ובכך מפחית את הזיקה של חלבונים ל- DNA.
- מתילציה : יכולה להתרחש כמונו-, די- או טרימתילציה של שאריות ליזין הבולטות מליבת החלבון.
אנזימים ספציפיים אחראים על ביצוע שינויים קוולנטיים אלה בהיסטונים. אנזימים אלה כוללים היסטאז-אצטיל-טרנספרזות (HAT), קומפלקסות היסטון-דיאצטילאזים (HDAC), והיסטון-מתילטרנספרזות ודמטילאזים.
סוגים
אפיון ההיסטונים בוצע על ידי טכניקות ביוכימיות שונות, ביניהן בולטות הכרומטוגרפיות המבוססות על שרפי חילוף קטיונים חלשים.
מחברים מסוימים קובעים סוג של סיווג בו נבדלים 5 סוגים עיקריים של היסטונים באיקריוטים: FI, עם 21 חלבונים kDa; F2A1 או FIV, פלוס מינוס 11.3 kDa; F2A2 או FIIbI, 14.5 kDa; F2B או FIIb2, עם משקל מולקולרי של 13.7 kDa, ו- F3 או FIII, של 15.3 kDa.
כל סוגי ההיסטונים הללו, למעט קבוצת IF, נמצאים בכמויות שוויוניות בתאים.
סיווג אחר, בעל תוקף זהה ואולי הנפוץ ביותר כיום, מציע קיומם של שני סוגים שונים של היסטונים, כלומר: אלה שהם חלק מהמתומן של הגרעין וההיסטונים הכבירים או המגשרים, המצטרפים לגרעינים בין כן.
גרסאות מסוימות יכולות להופיע גם בין מינים ובניגוד להיסטוני ליבה, וריאנטים מסונתזים בזמן הביניים ומוכנסים לכרומטין מעוצב מראש באמצעות תהליך התלוי באנרגיה המשתחררת מהידרוליזה של ATP.
היסטונים גרעיניים
מרכז גרעין מורכב מזוג של כל אחד מארבעת ההיסטונים המרכיבים: H2a, H2b, H3 ו- H4; עליהם נפצעים קטעי DNA של כ -145 זוגות בסיס.
ההיסטונים H4 ו- H2B הם, באופן עקרוני, ללא שינוי. עם זאת, כמה וריאציות ניכרות בהיסטונים H3 ו- H2A, שתכונותיהם הביופיזיות והביוכימיות משנות את אופיו הנורמלי של הגרעין.
חלבון H2A.Z, וריאנט של היסטון H2A בבני אדם, הוא בעל אזור חומצי גדול ועשוי לקדם את היציבות של נוקלאוזומים, תלוי בגרסאות ההיסטון H3 שאליהן הוא קשור.
היסטונים אלה מראים שונות מסוימת בין מינים, מקרה מיוחד הוא זה של היסטון H2B, אשר השליש הראשון של המולקולה משתנה מאוד.
היסטונים מחייבים
ההיסטונים הקשורים או הגשרים הם ההיסטונים בכיתה H1. אלה אחראים לאיחוד בין נוקלאוזומים ולהגנה על ה- DNA הבולט בתחילתו ובסוף כל חלקיק.
שלא כמו היסטונים נוקלאוזומליים, לא כל ההיסטונים מסוג H1 הם בעלי האזור הכדורי של ההיסטון "קפל". חלבונים אלה נקשרים ל- DNA בין נוקלאוזומים, ומאפשרים שינוי במאזן הכרומטין לעבר מצב מרוכז ופחות פעיל יותר, באופן תסריטי.
מחקרים קישרו את ההיסטונים הללו לתהליכי הזדקנות, תיקון ה- DNA ותהליכים אפופטוטיים וזו הסיבה שהם נחשבים למלא תפקיד מכריע בשמירה על שלמות גנומית.
מאפיינים
כל שאריות חומצות האמינו של היסטונים משתתפות, בדרך זו או אחרת, באינטראקציה שלהן עם ה- DNA, מה שמסביר את העובדה שהן שמורות כל כך בקרב ממלכות האורגניזמים האוקריוטים.
השתתפותם של היסטונים באריזה של DNA בצורת כרומטין היא בעלת רלוונטיות רבה עבור אורגניזמים רב-תאים מורכבים בהם קווי תאים שונים יכולים להתמחות רק על ידי שינוי הנגישות של הגנים שלהם למכונות התמלול.
האזורים הגנומיים הפעילים לתמלול הם צפופים בגרעינים, מה שמרמז כי הקשר של DNA עם חלבוני היסטון הוא קריטי לוויסות השלילי או החיובי של התמלול שלהם.
באופן דומה, לאורך חיי התא, התגובה למספר גדול של גירויים, פנימיים וחיצוניים, תלויה בשינויים קטנים בכרומטין, אשר בדרך כלל קשורים לשיפוץ ושינוי לאחר התרגום של ההיסטונים שנמצאו ב- קשר הדוק עם DNA.
משתני היסטון מרובים משרתים פונקציות שונות באיקריוטות. אחד מהם קשור בהשתתפות וריאנט של היסטון H3 ביצירת המבנים הצנטרומרים האחראיים להפרדה של כרומוזומים במהלך מיטוזה.
המקביל לחלבון זה באאוקריוטות אחרות הוכח כחיוני להרכבה של החלבון kinetochore שאליו נקשרות מיקרו-צינורות ציר במהלך מיטוזה ומיוזה.
הפניות
- אלברטס, ב., ג'ונסון, א., לואיס, ג'יי, מורגן, ד., רף, מ., רוברטס, ק., וולטר, פ. (2015). ביולוגיה מולקולרית של התא (מהדורה 6). ניו יורק: גרלנד מדע.
- Campos, EI, and Reinberg, D. (2009). היסטונים: ביאור כרומטין. Annu. הכמרית ג'נט. , 43, 559–599.
- הארווי, AC, & Downs, JA (2004). אילו פונקציות מספקות היסטונים מקשרים? מיקרוביולוגיה מולקולרית, 53, 771–775.
- Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). הרכבת היסטונים משתנים לכרומטין. Annu. הכמרית תא. דב 'ביול., 21, 133-153.
- Isenberg, I. (1979). היסטונים. Annu. הכמרית ביוכימ. , 48, 159–191.
- קורנברג, RD, ותומס, JO (1974). מבנה הכרומטין: אוליגומרים של ההיסטונים. מדע, 184 (4139), 865-868.
- Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). כימיה וביולוגיה של ההיסטונים. ביקורות פיזיולוגיות, 50 (2), 159-170.