Гистоны

Исходя из относительного содержания остатков лизина и аргинина различают пять основных типов гистонов: богатый лизином H1 или H5 (у животных, имеющих ядерные эритроциты), умеренно богатые лизином H2A и H2B и богатые аргинином H3 и H4 (H – от англ. Histon).

Все гистоны относятся к числу наиболее консервативных по первичной структуре белков, что свидетельствует о том, что они наилучшим образом приспособлены к выполнению своих функций. Особенно это характерно для гистонов H3 и H4, аминокислотные последовательности которых одинаковы почти у всех эукариот. Например, первичная структура гистонов H4 у таких филогенетически далёких организмов, как горох (проростки) и бык (тимус телёнка), различаются только двумя равнозначными заменами (валина на изолейцин и лизина на аргинин). Наименее консервативный гистон – H1.

Гистоны синтезируются в цитоплазме (этот процесс предшествует репликации ДНК), после чего транспортируются в ядро, где связываются с ДНК. Молекулярная масса 11 000–21 000, причём гистоны H1 примерно в два раза крупнее остальных. В клетке может присутствовать несколько вариантов гистонов одного и того же типа (кодируются отдельными генами). Они различаются аминокислотными заменами, вставками и делециями как отдельных аминокислот, так и целых фрагментов (доменов) в составе молекулы (последнее особенно характерно для гистонов H2A и H2B). Гистон H1, например, представлен 1–6 вариантными формами. Замена гистонов на их варианты имеет фундаментальное значение для процессов, происходящих в ядре, в т. ч. при эмбриогенезе, в процессе дифференцировки клеток и тканей.

На основании структурно-функциональных особенностей гистонов в составе хроматина различают гистоны нуклеосомного кора и линкерные гистоны.

Гистоны H2A, H2B, H3 и H4, обнаруживаемые в клетке в эквимолярных количествах, образуют группу гистонов нуклеосомного кора. Они участвуют в формировании основной структурной единицы хроматина – нуклеосомы, обеспечивая максимальную компактизацию ДНК при сохранении полного и избирательного доступа к ней. Так, например, линейный размер молекулы ДНК в клетке человека достигает почти двухметровой длины, тогда как диаметр ядра, в котором эта ДНК упакована, не превышает 0,01 мм.

В центральных, наиболее консервативных участках молекул гистонов нуклеосомного кора преобладают гидрофобные аминокислоты, необходимые для взаимодействия гистонов между собой (гистоны по парам «узнают» друг друга). В результате образуются гетеродимеры, которые, в свою очередь, формируют октамер, состоящий из тетрамера гистонов H3 – H4 и двух димеров H2A – H2B. Вокруг гистонового октамера происходит закручивание сегмента спирали ДНК таким образом, что расположенные на его поверхности аргининовые остатки, обращённые к ДНК, обеспечивают электростатическое взаимодействие с отрицательно заряженными группами ДНК. При этом происходит жёсткая фиксация ДНК (вне зависимости от нуклеотидной последовательности) и образуется универсальная структура нуклеосомы.

К линкерным относятся гистоны H1 и Н5. Они связываются с межнуклеосомными сегментами ДНК (т. н. линкерная ДНК), обеспечивая стягивание нитей ДНК на входе и выходе из нуклеосом. Роль линкерных гистонов состоит в упаковке нуклеосом в структуры более высокого порядка. На две молекулы каждого из гистонов нуклеосомного кора приходится одна молекула линкерного гистона.

Положительно заряженные остатки в молекулах гистонов локализованы преимущественно в N- и C-концевых участках, которые обычно располагаются над поверхностью хроматиновых фибрилл. Эти участки подвергаются многочисленным посттрансляционным модификациям: ацетилированию, фосфорилированию, метилированию, АДФ-риболизированию, связыванию с белком убиквитином и др. Всё это приводит к изменению заряда, гидрофобности и других свойств молекул гистонов.

Разнообразный набор модификаций N- и C-концевых доменов гистонов на поверхности нуклеосом составляет часть т. н. гистонового кода. Другим его элементом являются вариантные формы гистонов. «Гистоновый код» является основным эпигенетическим механизмом (не затрагивающим информацию, записанную в ДНК), который контролирует включение и выключение генов и передачу программы этого контроля от клетки к клетке в процессе их деления (митоза).

В нуклеоидах бактерий присутствуют белки, сходные с эукариотическими гистонами (гистоноподобные белки). Они способны конденсировать ДНК, но ничего похожего на нуклеосомы не образуют.