Značilnosti kromosomskih ogrodij

Uvod

Nukleoproteinski kompleks v jedru evkariontskih celic se imenuje kromatin. Osnovne biokemijske sestavine kromatina so molekule DNA in dve vrsti beljakovin. Ti vrsti sta histoni in nehistonski kromosomski proteini. Histone je leta 1884 odkril nemški biokemijski znanstvenik Albrecht Kossel. Histoni so družina malih proteinov, ki imajo razmeroma veliko število bazičnih aminokislinskih ostankov. Ta aminokislinska ostanka sta arginin in lizin.

Histoni

Histoni po velikosti proteinov spadajo med manjše proteine. Molekulska masa histonov je od 10 000 do 20 000 daltonov. Histoni so osnovni element pri zvijanju DNA in tvorbi nukleosomov.[1] Da bi razumeli kako je spakiran DNA, moramo preučiti histonske proteine. Poznamo pet glavnih razredov histonov: H1,H2A; H2B; H3 in H4. Vsi ti histoni so si podobni v tem, da imajo velik delež pozitivno nabitih aminokislinskih ostankov. Ti pozitivno nabiti aminoksilinski ostanki jim omogočajo povezavo z negativno nabitimi fosfatnimi skupinami na DNA preko elektrostatskih interakcij. Histoni so se skozi evolucijo zelo dobro ohranili, tudi med različnimi vrstami. Če primerjamo histon pri kravi in histon pri grahu (to sta dve vrsti, ki sta se ločili že več kot 1 miljardo let nazaj) ugotovimo, da se histona razlikujeta le v dveh aminokislinskih ostankih. [2]

Histoni se posttranslacijsko modificirajo. Modifikacija histonov vključuje metiliranje, ADP-riboziliranje, fosforiliranje, glikoziliranje in acetiliranje, pri tem pa pride do spremembe naboja, oblike,.. Kljub histonski veliki evolucijski stabilnosti pa njihova stopnja modifikacije izjemno varira med različnimi vrstami, tkivi in odvisno od faze celičnega cikla. Modifikacija histonov je povezana s transkripcijsko aktivacijo. Modifikacije verjetno ustvarijo proteinska vezavna mesta na histonih ali na DNA s katero asocirajo.[3]

Nukleosom

Nukleosom je osnovna enota kromatina evkariontske celice. Sestavljen je iz histonov, točno iz histonskegaoktamera (H2A)2(H2B)2(H3)2(H4)2 v povezavi z 200bp DNA. Kljub temu, da imajo le šibko sekvenčno podobnost, si vsi štirje tipi histonov delijo podobne ostanke v katerih je dolg centralni heliks obdan na vsaki strani z zanko in še krajšim heliksom. Pari različnih vrst histonov se povezujejo v nekakšno molekularno rokovanje in oblikujejo polmesečno oblikovane heterodimere H2A-H2B in H3-H4. Vsak od njih povezuje 2,5 obratov DNA, ki rotira okoli njih v kotu 140°. H3-H4 par interagira preko snopa štirih heliksov z dveh H3 histonov in oblikuje (H3-H4)2tetramer s katerim vsak H2A-H2B interagira preko podobnega snopa štirih heliksov med H2B in H4. Vsi skupaj oblikujejo histonskioktamer.

Mikrokokska nukleaza

Mikrokokska nukleaza sprva degradira kromatin na posamezne nukleosome v kompleksu s histonom H1. Kasnejša prebava obreže stran dodatno DNA in sprosti histon H1. To za seboj pusti del imenovan proteinsko jedro, ki ga sestavlja segment DNA iz 146 bp, povezan s histonskimoktamerom. Segment povezovalne DNA, DNA ki je odstranjena z nukleazo, združi sosednje nukleosome. Rentgenska struktura proteinskega jedra razkrije dvojni simetrični kompleks v katerem je B-DNA ovita okoli zunanjosti histonskega oktamera v 1,65 ovojih. [3]

Histoni H1

Histoni H1 so ena izmed petih histonskih družin. Za razliko od ostalih družin, ki se tvorijo v nukleosom, je glavna funkcija histonov iz družine H1, da povezujejo. Njihova naloga je, da histonskioktamer ovit z DNA verigo drži na mestu, da se ta ne odpne iz oktamera. Histoni H1 torej stabilizirajo strukturo nukleosoma in vzpostavljajo red v kromatinu. Tako kot pri ostalih štirih družinah histonov so histoni družine H1 tudi zelo ohranjeni pa vendar pri različnih vrstah organizmov najdemo veliko variabilnost. Nastopajo v veliko izooblikah, ena bolj znanih je H5, ki jo lahko zasledimo pri ptičih. Oblika H1 histonov je palčka z dvema mestoma, kamor se veže DNA. Prvi del verige DNA se veže na eno izmed vezavnih mest, nato veriga DNA ovije oktamerhistonov in se poveže še z drugim vezavnim mestom na H1 histonu. Vezavno mesto histona zajame približno 20 parov nukleotidnih zaporedij. Njegova druga funkcija pa je še, da zavira transkripcijo. Družina H1 se deli še v dve poddružini to sta H1F in H1H1. V H1F spadajo H1F0, H1FNT,H1FOO in H1FX. V družino H1H1 pa HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E in HIST1H1T. Histoni H1 imajo tridelno strukturo. Dolžina tega proteina je od 190 pa do 350 aminokislinskih ostankov. Histoni H1 so bazični zaradi velikega deleža lizina in arginina. S to lastnostjo se lahko lažje vežejo na kislo naravnano verigo DNA.[4][5][6]

Nehistonski proteini

Nehistonski kromosomski proteini (mednje spadajo Scaffold proteini, DNA polimeraze, Heterochromatin Protein 1, Polycomb in drugi) so fosforilirani in de-fosforilirani znotraj nespremenjenega jedra z dvema neodvisnima tipoma reakcij, to je z protein kinazno reakcijo ki premakne terminalno fosfatno skupino različnih nukleozid in deoksinukleozid trifosfat na serinske in treoninske ostanke nehistonskih proteinov, in fosfatazno reakcijo ki cepi te fosfoserinske in fosfotreoninske vezi in sprosti anorganski fosfat. Več eksperimentov potrjuje hipotezo da je fosforilacija in defosforilacija teh proteinov povezana z genskimi kontrolnimi mehanizmi, recimo fosforilirani nehistonski proteini so tkivno specifični, spremembe v njihovi fosforilaciji pa so povezane s spremembami v strukturi kromatina in aktivnostjo genov. Adicija fosforiliranih nehistonskih proteinov in vitro poveča sintezo RNA in fosforilirani nehistonski proteini se specifično vežejo na DNA.[11]

Heterokromatin Protein 1

(HP1) Družina heterokromatinskih proteinov je evolucijsko konzervativna, in ima pomembno funkcijo v celičnem jedru. Te funkcije vključujejo zaviranje izražanja genov z formacijo heterokromatina, transkripcijsko aktivacijo, regulacijo vezanja kohezijskih kompleksov na centromer, vzdrževanje heterokromatina, gensko represijo pri enem nukleosomu ter gensko represijo z heterokromatizacijo eukromatina. HP1 proteini so ključne enote heterokromatinskega pakiranja ki jih je veliko pri centromerih in telomerazah skoraj vseh evkariontskih kromosomov z izjemo kvasovk, kjer podobno vlogo igrajo drugi proteini (yeast-specific silencing complex of silent information regulation). HP1 je bil odkrit leta 1986.[8]

Scaffold proteini

Scaffold proteini so regulatorji mnogih signalnih poti. Njihova funkcija ni točno določena, znano pa je da interagirajo z več členov signalne poti, in jih povezujejo v komplekse. V teh signalnih poteh regulirajo potovanje signala ter s povezovanjem v komplekse pomagajo pri lokalizaciji različnih komponent.[9]

Polycomb-group proteins

so proteini ki preoblikujejo kromatin tako da nastopi epigenetsko utišanje nekaterih genov. Naprimer v vinskih mušicah to naredijo med embrionalnim razvojem.[10]

Viri:

[1] “Concepts in Biochemistry: Rodney F. Boyer.” [Online]. Available: http://www.amazon.com/Concepts-Biochemistry-Rodney-F-Boyer/dp/0470003790. [Accessed: 20-Apr-2014].

[2] “03 DNA, geni in kromosomi.pdf.” [Online]. Available: http://www-f9.ijs.si/~krizan/sola/medfiz/slides/radiobiol/03 DNA, geni in kromosomi.pdf. [Accessed: 20-Apr-2014].

[3] “Wiley: Principles of Biochemistry, 4th Edition International Student Version - Donald Voet, Charlotte W. Pratt, Judith G. Voet.” [Online]. Available: http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-1118092449.html?filter=TEXTBOOK. [Accessed: 20-Apr-2014].

[4] R. Dootz, A. C. Toma, and T. Pfohl, “Structural and dynamic properties of linker histone H1 binding to DNA.,” Biomicrofluidics, vol. 5, no. 2, p. 24104, Jul. 2011.

[5] S. W. Harshman, N. L. Young, M. R. Parthun, and M. A. Freitas, “H1 histones: current perspectives and challenges.,” Nucleic Acids Res., vol. 41, no. 21, pp. 9593–609, Nov. 2013.

[6] “Histone H1 Plays a Role in Heterochromatin Formation and VSG Expression Sit...: DiKUL - Digitalna knjižnica Univerze v Ljubljani.” [Online]. Available: http://eds.a.ebscohost.com.nukweb.nuk.uni-lj.si/eds/pdfviewer/pdfviewer?sid=b14ae6ba-fc97-453a-b9db-854a4b9ef5ae%40sessionmgr4005&vid=8&hid=4205. [Accessed: 20-Apr-2014].

[7] Lewis J. Kleinsmith, "Phosphorylation of Non-histone Proteins in the Regulation of Chromosome Structure and Function", Department of zooloqy, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan.

[8] James, T.C. & S.C Elgin (1986). "Identification of a nonhistone chromosomal protein associated with heterochromatin in Drosophila melanogaster and its gene". Mol. Cell. Biol. 6 (11): 3862–3872.

[9] Shaw, A.S. and E.L. Filbert, Scaffold proteins and immune-cell signalling. Nat Rev Immunol, 2009. 9(1): p. 47–56.

[10] Portoso M, Cavalli G (2008). "The Role of RNAi and Noncoding RNAs in Polycomb Mediated Control of Gene Expression and Genomic Programming". In Morris KV. RNA and the Regulation of Gene Expression: A Hidden Layer of Complexity. Caister Academic Press. pp. 29–44.