ヒストンは、 DNAと相互作用するが、真核生物の染色体のクロマチン成分のストランドを形成ヌクレオソームを形成することを基本的なタンパク質です。
DNAとタンパク質で構成される複合体であるヌクレオソームは、1974年に発見され、この基底レベルのクロマチン構成を組み立てるのはヒストンです。しかしながら、ヒストンタンパク質の存在は1960年代以前から知られていました。
ヒストンの八量体中心とその周りにコイル状に巻かれたDNAを持つヌクレオソームのグラフィック表示（出典：ジャワハールスワミナタンとWikimedia Commonsを介したEuropean Bioinformatics InstituteのMSDスタッフ）
ヒストンは、互いに密接に相互作用するこれらのタンパク質で構成されるタンパク質の中心を二本鎖DNAが包み込むように構成されています。ヒストンの中心は円盤状で、DNAは約1.7倍です。
複数の水素結合により、DNAは各ヌクレオソームのヒストンによって形成されるタンパク質中心に結合できます。これらの結合は、ほとんどの場合、ヒストンのアミノ酸骨格とDNAの糖リン酸骨格の間に形成されます。いくつかの疎水性相互作用とイオン結合も関与します。
「クロマチン再構築複合体」として知られるタンパク質は、DNAとヒストンの間の結合リンクを破壊および形成し、転写機構がヌクレオソームに含まれるDNAに入るのを可能にします。
ヒストンによって形成されるタンパク質中心への核酸の近接性にもかかわらず、これらは、必要に応じて、転写因子および遺伝子発現または遺伝子サイレンシングに関連する他のタンパク質の侵入を可能にするように配置されています。
ヒストンは、複数のバリアントを生成するさまざまな修飾を受ける可能性があり、さまざまな方法で遺伝子発現を調節する特性を持つクロマチンの多くの異なる形態の存在を可能にします。
特徴
それらは自然界で最も保存されている真核生物タンパク質の1つです。例えば、エンドウヒストンH4は、ウシH4タンパク質の102個のアミノ酸位置のうち2つだけが異なることが示されています。
ヒストンはアミノ酸が140個以下の比較的小さなタンパク質です。それらは塩基性アミノ酸残基が豊富であるため、正味の正電荷を持ち、負に帯電した核酸との相互作用に寄与してヌクレオソームを形成します。
ヌクレオソームと橋渡しヒストンは知られています。ヌクレオソームヒストンはH3、H4、H2AおよびH2Bですが、結合ヒストンはヒストンH1のファミリーに属しています。
ヌクレオソームの構築中、特定の二量体H3-H4およびH2A-H2Bが最初に形成されます。次に、2つのH3-H4ダイマーが結合して、後でH2A-H2Bダイマーと結合して四量体を形成し、八量体中心を形成します。
すべてのヒストンは主に細胞周期のS期に合成され、ヌクレオソームは複製フォークの直後に、発生期のDNAヘリックスに組み込まれます。
構造
ヒストンの一般的な構造には、塩基性アミノ酸領域と真核生物間で高度に保存されている球状カルボキシル領域が含まれます。
「ヒストンフォールド」として知られる構造モチーフは、2つのヘアピンによって接続され、小さな疎水性中心を形成する3つのアルファヘリックスで構成され、ヌクレオソームを構成するヒストン間のタンパク質間相互作用の原因です。
すべての真核生物においてこれらのヌクレオソームタンパク質の球状カルボキシルドメインを構成するのは、このヒストンの折りたたみです。
ヒストンには、40アミノ酸以下の短い「テール」またはアミノ末端およびその他のカルボキシル末端領域（プロテアーゼにアクセス可能）もあります。両方の領域は、複数の翻訳後共有結合修飾を受けることができる塩基性アミノ酸が豊富です。
ヒストンの結合
真核生物には結合ヒストンの2つのファミリーがあり、それらの構造によって互いに区別されています。いくつかは3部構造であり、上記の球状ドメインは「非構造化」NおよびC末端ドメインに隣接しています。他のものはC末端ドメインのみを持っています。
ほとんどのヒストンは保持されますが、一部の生物では特殊な細胞の胚形成または成熟中に、いくつかの特定のバリアントが発生する可能性があります。一部の構造上のバリエーションは、次のような翻訳後の変更に関係しています。
- リン酸化：クロマチンの凝縮度の変化に関連すると考えられており、セリン残基で一般的に発生します。
- アセチル化：転写活性のある染色体領域に関連しています。通常、リジン残基の側鎖に発生します。それがこれらの残基で発生すると、それらの正電荷が減少し、それによりDNAに対するタンパク質の親和性が低下します。
- メチル化：タンパク質コアから突き出るリジン残基のモノメチル化、ジメチル化、またはトリメチル化として発生する可能性があります。
特定の酵素は、ヒストンでこれらの共有結合修飾を行う責任があります。これらの酵素には、ヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）、ヒストンデアセチラーゼ複合体（HDAC）、およびヒストンメチルトランスフェラーゼとデメチラーゼが含まれます。
タイプ
ヒストンの特性評価は、さまざまな生化学的手法によって行われており、その中でも弱陽イオン交換樹脂に基づくクロマトグラフィーが際立っています。
特定の著者は、5つの主要なタイプのヒストンが真核生物で区別される分類の形式を確立します。プラスまたはマイナス11.3 kDaのF2A1またはFIV; F2A2またはFIIbI、14.5 kDa; F2BまたはFIIb2、分子量13.7 kDa、F3またはFIII、15.3 kDa。
これらのタイプのヒストンはすべて、IFグループを除き、細胞内で等モル量で検出されます。
同じ有効性とおそらく現在最も広く使用されている別の分類は、2つの異なるタイプのヒストンの存在を提案しています。はい。
一部のバリアントは種間でも発生する可能性があり、コアヒストンとは異なり、バリアントは中間期に合成され、ATP加水分解から放出されるエネルギーに依存するプロセスを通じて、事前形成されたクロマチンに挿入されます。
ヌクレオソームヒストン
ヌクレオソームの中心は、4つの構成ヒストンのそれぞれのペアで構成されています。H2a、H2b、H3、およびH4。約145塩基対のDNAセグメントが巻かれている。
ヒストンH4とH2Bは、原則として不変です。ただし、ヒストンH3およびH2Aには、生物物理学的および生化学的特性がヌクレオソームの正常な性質を変えるいくつかのバリエーションがあります。
ヒトのヒストンH2AのバリアントであるH2A.Zタンパク質は、大きな酸性領域を有し、関連するヒストンH3バリアントに応じてヌクレオソームの安定性を促進する可能性があります。
これらのヒストンは種間である程度の変動性を示します。特殊なケースはヒストンH2Bで、分子の最初の3分の1は非常に可変です。
ヒストンの結合
バインディングまたはブリッジングヒストンは、クラスH1ヒストンです。これらは、ヌクレオソーム間の結合と、各粒子の最初と最後に突き出ているDNAの保護を担っています。
ヌクレオソームヒストンとは異なり、すべてのH1タイプのヒストンがヒストン「フォールド」の球状領域を持っているわけではありません。これらのタンパク質はヌクレオソーム間のDNAに結合し、転写的に言えば、クロマチンバランスをより凝縮された活性の低い状態へとシフトさせます。
研究では、これらのヒストンを老化、DNA修復、アポトーシスのプロセスに関連付けているため、ゲノムの完全性の維持に重要な役割を果たすと考えられています。
特徴
ヒストンのすべてのアミノ酸残基は、何らかの形でDNAとの相互作用に関与しています。これは、真核生物の王国の間でそれらが非常に保存されているという事実を説明しています。
クロマチンの形でのDNAのパッケージングにおけるヒストンの関与は、さまざまな細胞株が転写機構への遺伝子のアクセシビリティを変更することによってのみ特化できる複雑な多細胞生物にとって大きな関連性があります。
転写活性のあるゲノム領域はヌクレオソームに密集しており、DNAとヒストンタンパク質の結合が転写の負または正の制御に重要であることを示唆しています。
同様に、細胞の生涯を通じて、内部および外部の両方の多数の刺激に対する応答は、クロマチンの小さな変化に依存します。これは、通常、リコンビナントに見られるヒストンのリモデリングと翻訳後修飾に関係していますDNAとの密接な関係。
複数のヒストン変数は、真核生物のさまざまな機能を果たします。それらの1つは、有糸分裂中の染色体の分離に関与するセントロメア構造の形成におけるヒストンH3のバリアントの関与に関係しています。
他の真核生物におけるこのタンパク質の対応物は、有糸分裂および減数分裂中に紡錘体微小管が結合するタンパク質動原体の構築に不可欠であることが示されている。
参考文献
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