Histone Variants
РАЗНООБРАЗИЕ ГИСТОНОВ

Histone variants: are they functionally heterogeneous?

David T Brown
Genome Biology 2001 2(7): reviews0006.1-0006.6
http://genomebiology.com/2001/2/7/reviews/0006

Основной субъединицей хроматина эукариот является нуклеосома. Две молекулы каждого из стержневых гистонов  - H2A, H2B, H3 and H4 - формируют октамер, белковый компонент стрежневой частицы нуклеосомы, вокруг которой оборачивается примерно 147 пар оснований ДНК. Одна молекула линкерного или  H1 класса связывается с октамером вблизи точки, где ДНК вступает и выходит из нуклеосомы и совершает два полных витка (примерно 166 пар оснований) ДНК вокруг окамера. Гистон H1 ассоциирует также с линкерной ДНК между нуклеосомами, чтобы стабилизировать структуры высшего порядка. Т.к. структура нуклеосом сходна у всех metazoans, то не является неожиданностью и то, что гистоны высоко законсервированные белки по структуре и последовательностям. Но у высших организмов каждый субтип гистона, за возможным исключением гистона  H4, представлен семейством генов, кодирующих множественные неаллельные  варианты первичных последовательностей. Почему?
Имеется несколько объяснений. Первое, доза гена.  Потребность в высокой экспрессии гена в определенное время может нуждаться во множественных транскрипционных едеиницах , напр., в случае гистонов необходимы большие их количества во время S-фазы , когда ДНК реплицируется и упаковывается в нуклеосомы. В этом случае уровень гетерогенности белковых последовательностей м.б. результатом генетического дрейфа  и вызывать незначительные последствия. Сюда м. входить и гетерогенность на уровне регуляции: множественные гистоновые гены, с определенным паттерном экспрессии во время диференцировки, в специфических тканях или  при определенных метаболических услровиях м.б. необходимы , чтобы гарантировать, что адакватное количество каждого гистона будет присутствовать в каждой клетке. На это указывает присутствие  замещающих вариантов, которые в отличие от большинства др. гистонов экспрессируются в течение всего клеточного цикла и служат источником компонентов хроматина во время репарации или рекомбинации ДНК или замещают потерянные гистоны путем превращения в покоящиеся клетки. Вариации белковых последовательностей, можно ожидать,  будут лимитированы, но варианты с очень высокой стабильностью будут эволюционно отобраны. Наконец, определенные варианты гистонов м.б. вовлечены в структурную гетерогенность хроматина. Разные гистоновые варианты м. вносить вклад в определенную или уникальную архитектуру нуклеосом, которая м. потенциально эксплотироваться для регуляции ядерных функций , таких как транскрипция, gene silencing, репликация или рекомбинация. В этом случае, изменчивость аминокислотных последовательностей среди индивидуальных вариантов внутри субтипа м.б. движущей силой для создания и поддержания  разнообразия. Ав. обозначает это как  'functional heterogeneity'. Конечно, аспекты каждой из этих двужущих сил м.б. задейстовованы одновременно. экспреиментально продемострировать это, особенно в случае функциональной гетерогенности, трудно.

The core histones: deviant variants for deviant purposes

По большей части, стержневые гистоны имеют лишь небольшое число вариантов и степень аминокислотной изменчивовсти внутри субтипа ограничена. Замещающие варианты и частично рапликационно-зависимые  варианты описаны для каждого субтипа за исключением гистона H4, а гетерогенность встречается довольно регулярно.  Но имеется несколько примеров  и доказательств, что эти гистоны имеют специализированный функции

(Табл.1)

CENP-A, высоко законсервированный H3-подобный вариант, специфически локализуется в центромерном хроматине млекопитающих и дрожжей. С-терминальные две трети  CENP-A белка на 62% идентичны последовательностям гистона H3, содержат histone-fold домен, и необходимы для локализации белка в центромерном гетерохроматине.  N-терминальные  47 аминокислот неродствены гистону  H3. Синтез CENP-A скординирован с репликацией центромер во время средины S до ранней G2 фазы клеточного цикла. Это важно, т.к. экспрессия CENP-A под контролем гистонового H3 промотора, который активен в ранней G1 фазе, не ведет к центромерной локализации CENP-A . Целенаправленное делетирование мышиного CENP-A гомолога ведет к ранней эмбриональной гибели и разрушению организации хромосомных центромер. Включение этого варианта на место гистона  H3 м привести к маркированию центромер эписомами для сборки кинетрохор, которые необходимы для скоординированого разделения сестринских хромосм во время митозов.
Гистон macroH2A является чрезвычайно дивергентным вариантом, состоящими из аминокислотной области, которая на  64% идентична аминокислотам полной длины гистона H2A, и сопровождается большой областью  (57% от всего белка) , которая не связана с каким-либо известным гистоном. Негистоновая область содержит предполагаемый leucine-zipper домен и имеет также сходство с белками, участвующими в репликации вирусной РНК.  Установлено, что  macroH2A концентрируется в неактивной X хромосоме самок млекопитающих с остается ассоциированной с этой хромосомой  в течение всей метафазы. Эта локализация м.б. опосредована через взаимодействия  macroH2A с Xist, некодирующей РНК, которая тесно ассоцирована с неактивной Х хромосомой. MacroH2A ассоциирует с неактивной X хромосомой во время или около ее инактивации в преимплантационных эмбрионах мыши, а в дифференцирующихся  мышиных эмбриональных стволовых клетках ассоциация появляется  после инициации или распространения инактивации. Также, условные делеции части локуса Xist из неактивной  X хромосомы ведут к потере ассоциации macroH2A , но не влияют на подержание  X инактивации. Т.обр., точная роль macroH2A в инактивации X неясна.
MacroH2A обнаруживается в др. местах хромосом как и в неактивной X хромосоме и это м. играть более общую роль в генном silencing. Строгая эволюционная консервация macroH2A включая и эмбрионов кур, которые не обладают инактивацией X-хромосомы, подтверждает идею, что законсервированная функция связана с регуляцией экспрессии генов. Интересно, что новый H2A вариант, идентифицированный недавно, обнаруживает характеристики, совершенно отличные  от таковых у macroH2A: H2A-Bbd, который только на 42% идентичен гистону H2A, не участвует в инактивации  X хромосомы  и м.б. ассоциирован с транскрипционно активными областями генома.
H2A.Z, минорный H2A вариант, обнаруживается у широкого круга организмов от дрожжей до млекопитающих. Последовательности H2A.Z вариантов разных видов более сходны др. с др., чем любой из  H2A.Z с мажорным гистоном  H2A того же самого организма. Эта консервация м. отражать его уникальную роль, так,  H2A.Z существенен для жизнеспособности и Tetrahymena и Drosophila . Эксперименты по перекачке, в которых области H2A.Z замещали гомологичными областями из мажорного гистона  H2A, идентифицировали определенный домен H2A.Z, необходимый для нормализации онтогенетических дефектов, наблюдаемых у H2A.Z-null мух. Это указывает на функциональную гетерогенность . Существенная область картирована в домене, важном для захвата (docking) H2A/H2B димера в H3/H4 тетрамер для образования гистонового октамера, а кристаллическая структура стержневых частиц, содержащих H2A.Z выявляет слабые, но достоверные отличия от тех частиц, которые содержат мажорные H2A белки. оказано. что H2A.Z м. модулировать складывание  нуклеосомных рядов в структуры высшего порядка и что нокаут H2A.Z генов у мышей вызывает эмбриональную гибель непосредственно после имплантации.

The linker histones: extreme diversity for subtle purposes

Линкерный или H1 класс гистонов, по-видмому, обладает наибольшей функциональной гетерогенностью. Ряд H1 вариантов и степень их дивергенции значительно выше , чем у стержневых гистонов. Эта гетерогенность ограничена, однако, она законсервирована в биологических царствах, указывая на то, что индивидуальные H1варианты м. иметь уникальные свойства

(Табл.2).

Белки H1 играют непосредственную роль в стабилизации нуклеосомальных и высшего порядка хроматиновых структур и м. функционировать как общие или специфические репрессоры транскрипции, ограничивая доступ  активаторам транскрипции к хроматину


(Рис.1.)
 |  Potential mechanisms of H1-mediated regulation of transcription.

Разрушение или модификация связывания гистона H1 с нуклеосомой м.б. необходимой ступенью в активации многих генов, а количественные и качественные отличия в модуляции хроматиновой структуры с помощью отдельных вариантов H1 м. составлять основу проявления функциональной гетерогенности.
Доказательства в пользу этой гипотезы получены из разных источников. Соматические варианты отличаются по их паттернам экспрессии во время развития и дифференцировки, по их скоростям обмена, и по степени и способу фоссфорилирования во время клеточного цикла. Продемонстрировано, что индивидуальные варианты отличаются по их способности конденсировать различные  хроматины и ДНК сусбстратц. Наконец, если H1 варианты имеютиндивидуальные функции, то следует ожидать, что они будут неслучайно распределяться внутри ядра, а с учетом  активных или неактивных генов.
Четким примером важности гетерогенности H1 варианта в экспрессии генов м. служить онтогенетическая регуляция синтеза 5S рРНК у лягушекю.. У Xenopus laevis имеется два кластера генов 5S, соматический и ооцитный кластеры, которые обладают одними и теми же транскрипционными факторами, таким как TFIIIA. Соматические 5S гены экспрессируются в течение всего эбмбриогенеза и в соматических клетках. Напротив, ооцитные 5S гены экспрессируются в ооцитах и во время раннего эмбриогенеза, но репрессируются примерно при mid-blastula переходе. Примерно в то же самое время во время эмбриогенеза, взрослые гистоновые H1 гены экспрессируются и начинают замещать cleavage-stage вариант H1M(B4), который инкорпорирован в нуклеосомыво время эмбриогенеза. Установлено, что переключение типов H1 вариантов является причиной специфической репрессии экспрессии ооцитных 5S генов. Подтверждено, что дифференциальное позиционирование нуклеосом лежит в основе этой селективной репрессии,  ооцитные 5S гены соединяются со взрослыми H1 гистонами более жадно, чем они связываются с транскрипционным фактором TFIIIA, тогда как противоположная ситуация наблюдается дл соматических 5S генов.
У мышей имеется по крайней мере 8 вариантов H1, включая 6 соматических вариантов, обнаруживаемых в большинстве клеток и двух специфичных для зародышевой линии изотипов. Тестис-специфический вариант H1t обнаруживается в значительном количестве только в пахитенных сперматоцитах и ранних сперматидах.  По сравнению с соматическими вариантами гистон H1t делает более открытой хроматиновую структуру.  In vivo это свойство м. облегчать рекомбинацию или последующие переходы хромосомных белков во время созревания спермиев, когда гистоны замещаются спермии-специфическими белками. Однако, мыши без H1t фертильны и подвергаются нормальному сперматогенезу. У этих H1t-null мышей другие H1 варианты откладываются на хроматине вместо H1t для сохранения нормального, или почти общего количества H1 гистона. По крайней мере некоторые из этих вариантов способны компенсировать функцию H1t. Это м.б. важным, что даже у H1t-дефицитных мышей хроматин зародышевых клеток содержит родственные соматическим клеткам  высокие уровни гистонов H1a и H1c и значительно меньше H1d и H1e. Функция недавно описанного специфичного для ооцитов  H100 варианта неясна, но паттерн его экспрессии и его последовательности сходные с эмбриональным вариантом Xenopus H1M, указывают на его потенциальную роль в регуляции экспрессии  генов во время оогенеза и раннего эмбриогенеза.
Роль гетерогенности соматическго гистона H1 у млекоптиающих изучали, индуцируя избыточную экспрессию отдельных вариантов в гомологичных 3T3 фибробластах. Избыточная экспрессия H10 варианта мыши ведет к временной задержке хода клеточного цикла и снижению статического уровня всех транскриптов polymerase II. Избыточная экспресся др. варианта, H1c, не обнаруживает влияния на ход клеточного цикла и не ведет ни к изменению, ни к драматическому повышению статических уровней транскриптов всех тестированных генов.  Дифференциальные эффекты избыточной экспрессии этих двух вариантов обусловлены различиями их  центральных глобулярных доменов.Установлено, что глобулярные домены этих двух варианто очень сходны, это указывает на то, что различия минимальны в этих областях, которые взаимодействуют с нуклеосомами, но они имеют важные последствия для функции хроматина.  Хроническая избыточная экспрессия любого варианта в течение  нескольких дней вызывает компенсаторную реакцию и развитие клеточных популяций с параметрами клеточного цикла и профилями генной экспрессии идентичными тем, что наблюдаются в норме.
Гомозиготное инактивирование любого из соматических H1 вариантов у мышей не затрагивает жизнеспособности или развития. Нокаут мышей по одному из генов ведет к  усилению активности оставшихся гистоновых генов H1 , к нормальной или почти нормальной  stoichiometry всех H1 гистонов в нуклеосомах. Мыши, нокаутные сразу по трем генам H1c, H1d, и H1e погибали во время эмбриогенеза на  9.5-10.5 день. Анализ хроматина таких эмбрионов обнаруживает уменьшение соотношения гистонов H1 в нуклеосомах  примерно на 50%. Следовательно, лишь значительное снижение общей H1 stoichiometry, которая как ожидается оказывает существенное влияние на структуру хроматина высшего порядка, оказывает повреждающее влияние на развитие млекопитающих.
Имеющиеся данные указывают на то, что для чрезвычайно модифицированных стрежневых гистонов возможна функциональная гетерогенность. Наблюдаемые компенсаторные реакции  и отсутствие каких-либо проявлений, важных для функции вариантов H1, указывает на функциональную вырожденность (redundancy). Возможно ли, что множественные  H1 варианты у млекопитающих представляют собой в первую очередь дозовую компенсацию или 'регуляторную' гетерогенность? Авт. полагает, что это необязательно. Имеющиеся данные все-таки указывают на то, что функциональная гетерогенность и среди H1 вариантов возможна. Проста потеря одного компенсируется др. вариантом. Наконец, необходимо подчеркнуть, ограниченность нокаутных экспреиментов. Лишь использование новых пожходов сможет пролить свет на свойства и потенциальные функции специфических вариантов гистонов in vivo.
Сайт создан в системе uCoz