Histoonid: DNA pakkimine, nukleosoomid ja geenide regulatsioon

Histoonid: kuidas nukleosoomid pakivad DNA-d ja mõjutavad geenide regulatsiooni — selged selgitused, struktuurid ja funktsioonid.

Histoonid on eukarüootsete rakkude tuumades leiduvad valgud, mis pakendavad DNA-d struktuuriüksustesse, mida nimetatakse nukleosoomideks. Need on kromatiini, kromosoomide aktiivse osa peamised valgukomponendid.

Histoonid toimivad kui rullid, mille ümber DNA kerib, ja mängivad olulist rolli geenide reguleerimises. Ilma histoonideta oleks kromosoomide lahti keritud DNA väga pikk: igas inimrakus on ligikaudu 1,8 meetrit DNA-d, kuid histoonide ümber pakituna ja kromatiini kujul see palju lüheneb — histoonide ümber keritud kromatiini kogupikkus on olenevalt kondenseerumise astmest märkimisväärselt väiksem ja mitoosi käigus dubleerituna ning kondenseerituna moodustuvad täpsed kromosoomistruktuurid.

Nukleosoomide ehitus

Nukleosoom on kromatiini põhiline korduvüksus. Üks nukleosoom koosneb tavaliselt histoonide oktameerist — kaks koopiat igast põhilisest core-histoonist H2A, H2B, H3 ja H4 — mille ümber on mähitud umbes 147 nukleotiidi pikkune DNA-lõik. Nukleosoomide vahel paiknev lühem DNA-lõik (linker-DNA) seob kokku järgmised nukleosoome; selle lokaliseerumise ja pikkuse abil mõjutatakse kromatiini tihedust. Linker-histoon H1 kinnitub vaakumile ja aitab nukleosoome kõrgemasse korda pakkida.

Histoonide tüübid ja variandid

• Core-histoonid: H2A, H2B, H3 ja H4 — moodustavad nukleosoomi oktameeri.
• Linker-histoon: H1 — stabiliseerib nukleosoomi ja soodustab kõrgemat pakkimist.
• Histoonivariandid: näiteks H3.3, CENP-A (sentrimeeridele), macroH2A jt — variandid annavad spetsiifilisi funktsioone kromosoomi eri piirkondades ja on olulised geeniregulatsiooni, kompaktsuse ning kromosoomi identiteedi jaoks.

Post-translatsioonilised modifikatsioonid ja geenide regulatsioon

Histoonite muutmine pärast sünteesi (nn post-translatsioonilised modifikatsioonid) on üks peamisi viise, kuidas rakud kontrollivad kromatiini avatusastet ja geenide aktiivsust. Levinumad modifikatsioonid on:

• Atsetüülimine (nt histooni lämmastikäädikhappe atsüülatsioon lysiinidel) — vähendab histooni positiivset laengut, lõdvestab kromatiini ja sageli suurendab transkriptsiooni.
• Metüülimine — võib nii aktiveerida kui ka pärssida geenide väljendust sõltuvalt sellest, millisel aminohappel ja millisel asukohal see toimub (nt H3K4me = aktiivsus, H3K27me = pärssimine).
• Fosforüülimine — seotud raku tsükliga, DNA-kahjustuste vastusega ja kromosoomi kondenseerumisega mitoosil.
• Ubikvitineerimine ja teised märgised — mõjutavad histoonide vahetust, DNA remonti ja transkriptsiooni reguleerimist.

Need märgised moodustavad osa epigeneetilisest koodist: kombinatsioon erinevatest histoonimärkidest ja DNA metüülimisest määrab sageli, kas geen on aktiivne või vaigistatud, ilma et muutuks DNA järjestus ise.

Kromatiini ümberkorraldamine ja histoonide dünaamika

Kromatiini struktuuri muutmine ei sõltu ainult keemilistest modifikatsioonidest — aktuaalsed muutused nõuavad ka remodelleerivaid komplekse ja histoonišaperoneid:

• Chromatin remodelers (nt SWI/SNF, ISWI, CHD) liigutavad või eemaldavad nukleosoome, võimaldades transkriptsioonifaktorite ligipääsu DNA-le.
• Histoonišaperonid (nt CAF-1, NAP1) aitavad histoone õigesti kokku panna ja paigutada, eriti DNA replikatsiooni ja remonti järgselt.
• Nukleosoomid lagunevad ja kogunevad uuesti DNA replikatsiooni, transkriptsiooni ja remondi käigus — see dünaamika on hädavajalik raku normaalseks funktsioneerimiseks.

Rollid rakuprotsessides ja haigused

• Replikatsioon: histoonid eemaldatakse ja jaotatakse uutele tütarrakkudele, sh uute histoonide sünteesiga.
• DNA remont: histoonide modifikatsioonid ja remodelleerimine võimaldavad pääsu kahjustatud piirkondadesse.
• Mitoos ja kromosoomide kondenseerumine: histoonide staatuse muutused on olulised kromosoomi korrektseks jagunemiseks mitoosi ajal.
• Haigused: histoonide mutatsioonid või regulatsiooni häired on seotud vähkide ja muude haigustega (nt nn onkohistoonid nagu H3K27M gliomas; ebanormaalne histoonimärgistus võib viia geenide ebaõige ekspressioonini).

Kuidas histoone uuritakse

Uurimismeetodid hõlmavad näiteks ChIP-seq (histooni- või teguri-seotud DNA järjestuse määramiseks), MNase-seq (nukleosoomide paiknemise kaardistamiseks) ja erinevaid mass-spektromeetria lähenemisi histoonimärkide määramiseks. Need meetodid aitavad mõista, kuidas kromatiinirežiimid seostuvad geeniekspressiooniga.

Kokkuvõte: histoonid on kromatiini struktuuri ja geenide regulatsiooni keskne komponent — nende koostis, variandid ja post‑translatsioonilised modifikatsioonid määravad, millised geenid on aktiivsed või vaigistatud ning mõjutavad raku arengut, vastuseid kahjustustele ja haiguste tekkimist.

Funktsioonid

DNA-ahelate tihendamine

Histoonid toimivad kui rullid, mille ümber DNA kerib. See pakib eukarüootide suured genoomid rakutuuma sisse. Pakitud molekul on 40 000 korda lühem kui pakkimata molekul.

Kromatiini regulatsioon

Histoonides toimuvad muutused, mis muudavad nende koostoimet DNA ja tuumavalkudega. Pikaajalised muutused histoonide ja DNA koostoimes põhjustavad epigeneetilist mõju. Arvatakse, et modifikatsioonide kombinatsioonid moodustavad koodi, nn histoonikoodi. Histoonide modifikatsioonid toimivad mitmesugustes bioloogilistes protsessides, nagu geenide reguleerimine, DNA parandamine ja kromosoomide kondenseerumine (mitoos).

Näited

Näiteid histoonide modifikatsioonide kohta transkriptsiooni reguleerimisel on järgmised:

Muudatuse tüüp	Histoon
	H3K4	H3K9	H3K14	H3K27	H3K79	H4K20	H2BK5
monometüleerimine	aktiveerimine	aktiveerimine		aktiveerimine	aktiveerimine	aktiveerimine	aktiveerimine
di-metüülimineerimine		repressioonid		repressioonid	aktiveerimine
tri-metüülimineerimine	aktiveerimine	repressioonid		repressioonid	aktiveerimine, repressioon		repressioonid
atsetüülimine		aktiveerimine	aktiveerimine

DNA väljastpoolt keerdub ümber histooni seestpoolt. Vaade ülevalt läbi spiraaltelje

Küsimused ja vastused

K: Mis on histoonid?

K: Milline on histoonide funktsioon?

K: Mis juhtuks ilma histoonideta?

K: Kui palju DNA-d on igas inimese rakus?

K: Kui palju kromatiini on igas inimrakus?

K: Mis toimub mitoosi ajal?

K: Milline on histoonide roll kromosoomides?

Otsing