Гистоновый код

Основная структурная единица хроматина - нуклеосома. Она представлена белковым октамером, образованным двумя молекулами каждого из коровых гистонов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4), с которым связан участок ДНК длиной 147 пар нуклеотидов. Структура коровых гистонов эволюционно консервативна, но их N-концевые «хвосты», выходящие за пределы ядра нуклеосомы, могут претерпевать многочисленные посттрансляционные модификации, включая ацетилирование, метилирование, фосфорилирование и др. (рис. 3). Тип ковалентной модификации гистонов может влиять на структурную динамику нуклеосомы, изменяя степень доступности ДНК. Ацетилирование гистонов ослабляет межнуклеосомное взаимодействие, а также взаимодействие нуклеосомы с линкерной ДНК, что приводит к большей доступности ДНК. Метилирование гистонов не изменяет суммарный заряд нуклеосомы, но обе эти модификации играют важную роль в привлечении белков, которые регулируют различные процессы, требующие доступа к ДНК. Следовательно, модификации гистонов, их качественный состав и специфический набор (гистоновый код) определяют активацию или инактивацию гена или создают дополнительный уровень регуляции экспрессии генов. Под гистоновым кодом подразумевают разнообразный набор модификаций гистоновых «хвостов», определяющий функциональное состояние гена. Гистоновый код - второй эпигенетический механизм, с помощью которого пишется программа каскадного включения-выключения генов, передающаяся по наследству от клетки к клетке. При этом информация о белках, записанная в самой ДНК, остается в сохранности.

Рисунок 3. Гистоновый код: указаны наиболее функционально значимые модификации аминокислотных остатков N-концевой части коровых гистонов.

Посттрансляционная модификация гистонов может модулировать структуру хроматина, ослабляя взаимодействие гистонов с ДНК, и тем самым активировать транскрипцию. Модификации гистонов могут происходить последовательно или в комбинации друг с другом и, таким образом, привлекают хроматин-связывающие белки для выполнения специфических задач. Вместе с метилированием ДНК ковалентные модификации гистонов определяют эпигенетическое поддержание и контроль экспрессии генов.

Метилирование/деметилирование гистонов

Метилирование гистонов и ДНК создает основу для долговременного эпигенетического поддержания уровня экспрессии генов. Наиболее распространенный тип метилирования гистонов - метилирование лизина. Образование гетерохроматина происходит в результате одновременной работы гистонлизиновых метилтрансфераз (НК-МТ) и деацетилаз гистонов (HDAC) и включает модификацию лизина 9 гистона Н3 (H3K9). Триметилирование Н3К9me3 стабилизирует нуклеосомы, привлекает гетерохроматиновый белок Н1, необходимый для плотной упаковки хроматина, что приводит к отсутствию транскрипции. Н3К9me3 коррелирует с инактивацией Х- хромосомы и конденсированным состоянием хроматина (структурный и факультативный гетерохроматин). Кроме того, маркером факультативного гетерохроматина служит триметилированный лизин 27 гистона Н3 (Н3К27me3). Метилирование лизина 20 гистона Н4 (Н4К20) ингибирует ацетилирование лизина 16 гистона Н4 (Н4К16). Это свидетельствует о том, что метилирование Н4К20 действует как эпигенетическая метка репрессии. Таким образом, метилирование Н3К9, Н3К27 и Н4К20 - основная модификация гистонов, соответствующая гетерохроматину и крупномасштабной репрессии транскрипции. Кроме того, при согласованном метилировании Н3К9 и ДНК может сохраняться долговременный статус негативной регуляции транскрипции.

Метилирование определенных остатков гистонов в эухроматиновых районах противодействует многочисленным механизмам инактивации генов в эукариотической клетке. Метилирование лизина 4 гистона Н3 (Н3К4) специфично нарушает опосредованное Suv39h1 метилирование Н3К9, закрывая, таким образом, основной путь образования гетерохроматина. Образованию дополнительных гетерохроматиновых районов также препятствует метилирование лизина 79 гистона Н3 (Н3К79). Оно предотвращает ассоциацию инактивирующих белков Sir с активно экспрессирующимися генами. Таким образом, Н3К4 и Н3К79 участвуют в установлении эухроматинового состояния, поскольку их метилирование препятствует распространению гетерохроматиновых районов. Метилирование лизина 36 гистона Н3 (Н3К36) обнаружено в районах, где транскрипция благополучно идет или только что завершена. Триметилирование Н3К4 сохраняется до 5 ч после элонгации транскрипции, создавая, таким образом, некую форму кратковременной транскрипционной памяти о недавно транскрибированных генах. Таким образом, метилирование определенных остатков гистонов участвует в кратковременном и долговременном поддержании транскрипционного статуса генов, а уровень метилирования может вносить вклад в их регуляцию.

Ацетилирование/деацетилирование гистонов

Ацетилирование - обратимая модификация лизинов в N-концевых доменах коровых гистонов. Известно, что N-концевые домены гистонов участвуют в инактивации генов с образованием суперконденсированных нитей хроматина, тогда как их ацетилирование приводит к локальной деконденсации хроматина, необходимой для процессов, связанных с переупаковкой ДНК: транскрипции, репликации, репарации, рекомбинации и образования сперматозоидов. Например, ацетилирование Н4К16 регулирует структуру хроматина и его взаимодействие с белками. Усиление ацетилирования гистонов стимулирует транскрипцию, а деацетилирование приводит к полной инактивации генов. Ацетилирование/деацетилирование может быть прямо связано с отдельными стадиями транскрипции генов через взаимодействие с комплексами, ремоделирующими хроматин. Совместное функционирование деацетилаз и ацетилаз (HAT) гистонов сопровождается динамическими переходами хроматина из одной структуры в другую и приводит к переключению активных и неактивных состояний.

При определенном паттерне распределения сайтов ацетилирования гистонов нарушается пространственная структура нуклеосомной нити, что увеличивает доступность хромосомных доменов для регуляторных белков. В результате белки системы транскрипции получают доступ к промоторам и могут инициировать транскрипцию. Показано, что транскрипция матриц с гиперацетилированными нуклеосомами происходит быстрее, чем на матрицах без таковых.

Если суммировать, то к маркерам активации гистонов, которые связаны с эухроматином и повышением генной экспрессии, можно отнести ацетилирование лизинов в гистонах H2A, H2B, H3, Н4: ацетилирование лизина 9 (H3K9), лизина 14 (H3K14), лизина 5 (H4K5) и лизина 16 (H4K16); метилирование лизинов H2BK5, H3K4, H3K36, и H3K79; фосфорилирование треонина 3 в гистоне H3 (H3T3), серина 10 в H3 (H3S10), серина 28 (H3S28) и серина 1 в гистоне Н4 (H4S1) и убикветинилирование лизина 120 гистона Н2В (H2BK120). А к гистоновым маркерам, которые коррелируют с гетерохроматином и репрессией генов, относятся: низкий уровень ацетилирования гистонов; метилирование H3K9, H3K27 и H4K20; убиквитинилирование лизина 119 гистона Н2А (H2AK119); и сумоилирование лизина 126 гистона Н2А (H2AK126), лизинов 6 и 7 гистона Н2В (H2BK6/ H2BK7).