Histoonid

Histoonid on väiksed aluselised valgud (koosnevad 102–135 aminohappest), mida leidub eukarüootide tuumas. Tegu on kromatiini põhivalkudega, mis mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis. Histoonide funktsioon on osaleda ka DNA kokkupakkimisel, et viimane mahuks rakutuuma. Kui inimese rakus olev DNA oleks täielikult lahtikeerdunud, siis oleks selle pikkus ligikaudu 1,8 meetrit. Histoonide ümber keerdunud DNA suurus on aga umbes 90 µm (0,09 mm).
Klassifikatsioon ja histoonivariandid.
Viis peamist histooni on H1/H5, H2A, H2B, H3 ja H4, millest neli viimast on nukleosoomsed. H1 ja H5 (H1 isovorm) on nukleosoomidevahelise alaga seonduvad histoonid.
Nukleosoomi südamikus on kahes korduses histoonid H2A, H2B, H3 ja H4, mis moodustavad histooni oktameeri. 147 aluspaari pikkune DNA lõik keerdub 1,65 korda ümber nukleosoomi südamiku. Kahe nukleosoomi vahele jääb DNA lõik (5,9–7 nm), kuhu seondub histoon H1, mis vastutab DNA pakkimise eest kõrgemat järku struktuuridesse. Histoonide abil kokku pakitud DNA struktuuri nimetatakse kromatiiniks. DNA koos nukleosoomidega on kromatiinis pakitud fiibriks, mille läbimõõt on 0,3 µm.
Histoonid jagunevad kanoonilisteks replikatsioonist sõltuvateks histoonideks, mille geenid ekspresseeruvad rakutsükli S-faasis, ja replikatsioonist sõltumatuteks histoonivariantideks, mille geenid ekspresseeruvad kogu rakutsükli toimumise ajal. Kanoonilisi histoone eskpresseerivad geenid klasterduvad imetajate kromosoomides nelja eri kõrgelt konserveerunud lookusesse, neis puuduvad intronid ja nende mRNA-sid reguleeritakse polü(A)-sabadega. Komplekssematel mitmerakulistel organismidel on enamasti rohkem eri histoonivariante, mis tagavad valiku eri funktsioone.
Nukleosoomi struktuur.
Nukleosoomi südamiku moodustavad kaks H2A-H2B dimeeri ja H3-H4 tetrameer, mis moodustavad omavahel peaaegu sümmeetrilised osad. Neljal südamikuhistoonil on sarnane struktuur ja need on evolutsiooni käigus tugevalt konserveerunud. Kasutades elektronide paramagneetilise resonantsi spinnide märgistamise tehnoloogiat, mõõtsid Briti teadlased nukleosoomidevaheliseks kauguseks 59–70 Å.
Esineb viit tüüpi histoon-DNA interaktsioone:
Histoonidel toimuvad posttranslatsioonilised modifikatsioonid, millest enamik leiab aset nende N-terminaalsetel sabadel. Levinumad modifikatsioonid on metüleerimine, atsetüleerimine, forsforüülimine, sumoüleerimine, ubikvitinüleerimine ja ADP-ribosüleerimine. Need protsessid osalevad geenide regulatsioonis.
Evolutsioon ja liikidevahelised erinevused.
Põhihistoone (H3, H4, H2A, H2B) leidub eukarüootsete rakkude tuumades ja enamiku arhede hõimkondades, aga mitte bakterites. Algselt arvati, et üherakulised vetikad (dinoflagellaadid) on ainukesed eukarüoodid, kellel puuduvad histoonid. Hilisemad uuringud on näidanud, et nende DNA siiski kodeerib histoonide geene. Bakterites leidub H1 histooni homolooge, mida tuntakse ka kui tuumavalku HC1/HC2.
Arhede histoonid sarnanevad eukarüootsete histoonide eellastele. Histoonivalgud on ühed kõige kõrgemalt konserveerunud valgud eukarüootides, mis rõhutab nende olulist rolli tuuma bioloogias. Küpsed spermid aga kasutavad enamasti oma genoomse DNA pakkimiseks protamiine, et saavutada veelgi kõrgem pakituse tase.
Funktsioon.
DNA ahelate kokkupakkimine.
Histoonid on nagu niidipoolid, mille ümber keerdub DNA. See võimaldab mahutada eukarüootide suured genoomid kompaktselt rakutuuma sisse – pakitud DNA on pakkimata DNA-st 40 000 korda lühem.
Kromatiini regulatsioon.
Post-translatsioonilised modifikatsioonid mõjutavad histoonide interaktsioone DNA ja tuuma valkudega. Histoonidel H3 ja H4 on pikad sabad, mis ulatuvad nukleosoomist välja ja mida saab mitmest kohast kovalentselt modifitseerida. H2A, H2B ja H3 histoonide puhul on võimalik ka nende keskel asuvate aminohapete modifitseerimine. Ühel histoonil/nukleosoomil võib samal ajal toimuda mitu modifikatsiooni ja need kombinatsioonid moodustavad niinimetatud histooni koodi. Erinevad modifikatsioonid mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis, DNA reparatsioonis, kromosoomide kokku pakkimisel (mitoos) ja spermatogeneesis (meioos).
Histoonide modifikatsioonide kirjeldamiseks kasutatakse järgnevat nomenklatuuri:
Histoonide modifikatsioonid transkriptsiooni regulatsioonis:
Modifikatsioonid.
Mõju transkriptsioonile.
Kõige paremini uuritud histoonide modifikatsioonid on seotud transkriptsiooni regulatsiooniga.
Geenide aktiveerimine.
Aktiivse transkriptsiooniga seostatakse tavaliselt kaht histoonide modifikatsiooni:
H3K4 trimetülatsiooni viib läbi COMPASS kompleks. Hoolimata sellest, et COMPASS kompleksi leidub nii pärmis kui ka imetajates, ei ole veel täiesti selge, mis on antud modifikatsiooni roll transkriptsioonis. Tegu on siiski hea aktiivse promootori märgisega ja H3K4Me3 tase geeni promootoralas on korrelatsioonis geeni transkriptsiooni aktiivsusega.
H3K36 trimetülatsiooni viib läbi metüültransferaas SET2. SET2 seostub RNA polümeraas II-ga ja H3K36Me3 on seotud aktiivse geeni transkriptsiooniga. H3K36Me3 märgise tunneb ära histooni deatsetülaasi kompleks Rpd3, mis eemaldab atsetüülrühmad ümbritsevatelt histoonidelt, aidates seeläbi kromatiini kokku pakkida, ning takistab transkriptsiooni algatamist valest kohast. Kokku pakitud kromatiinile ei pääse transkriptsioonifaktorid nii kergesti ligi, mis omakorda vähendab uue transkriptsioonitsükli algamise tõenäosust geeni keskelt. Seega aitab see protsess tagada, et transkriptsioon ei katkeks.
Geenide represseerimine.
Represseeritud (pärsitud) geenidega seostatakse tavaliselt kolme histoonide modifikatsiooni:
Selle modifikatsiooni eest vastutab valk PCR2 (ingl k "polycomb repressive complex 2"). Tegu on väga selge geenirepressiooni markeriga ning sellega seonduvad tõenäoliselt veel teisedki valgud. Teine kompleks, PCR1 (ingl k "polycomb repressive complex 1"), on ka võimeline seonduma H3K27Me3-ga ja lisama modifikatsiooni H2AK119Ub, mis aitab muuta kromatiini kompaktsemaks. 
H3K9Me2/3 on heterokromatiini iseloomustav märgis, mis on tugevalt seotud geenide repressiooniga. Kõige põhjalikumalt on heterokromatiini moodustumist uuritud pärmis "Schizosaccharomyces pombe". H3K9Me2/3 toimib seondumiskohana Swi6-le (heterokromatiini valk 1 või HP1, teine klassikaline heterokromatiini marker). Swi6 seondumine põhjustab omakorda täiendavat repressiooni, värvates muuhulgas kohale histoonide modifikaatorid nagu histoonide deatsetülaasid ja metüültransferaasid.
See modifikatsioon on tihedalt seotud heterokromatiiniga, aga selle funktsionaalne tähtsus on siiani ebaselge.
Bivalentsed promootorid.
Histoonide modifikatsioonide analüüs embrüonaalsetes tüvirakkudes (ja teistes tüvirakkudes) näitas, et paljude geenide promootorid omavad nii H3K4Me3 kui ka H3K27Me3 modifikatsioone. Seetõttu on nendel promootoritel üheaegselt nii transkriptsiooni aktivatsiooni kui ka repressiooni toetavad histoonide modifikatsioonid. See omapärane kombinatsioon tähistab geene, mis on n-ö valmisolekus. Näiteks antud modifikatsioonid pole tüvirakkudele vajalikud, kuid neid on kiirelt vaja pärast diferentseerumist. Rakkude diferentseerumisel toimub bivalentset promootorit omavates geenides, kas nende geenide aktivatsioon või repressioon. Selle kaudu toimub muuhulgas rakutüübi määramine.
Teised funktsioonid.
DNA kahjustus.
Fosforüülitud H2AX (H2AFX) on DNA kaheahelalise kahjustuse marker. H2AX fosforüülitakse kohe pärast DNA ahelate katke tuvastamist. ɣH2AX moodustab koldeid, mis võivad ulatuda algsest kahjustamise kohast mõlemale poole 1-2 Mb kaugusele. ɣH2AX on seondumiskohaks valgule MDC1, mis omakorda värbab järgmised valgud, mis osalevad DNA kahjustuse parandamises. Seega moodustab ɣH2AX olulise osa DNA reparatsioonimehhanismis, et tagada genoomi stabiilsus.
H3K56Ac on vajalik genoomi stabiilsuse tagamiseks. H3K56 atsetüleerimise viib läbi p300/Rtt109 kompleks, kuid see deatsetüleeritakse kiiresti DNA kahjustuse piirkonnas. H3K56Ac osaleb ka replikatsioonikahvlite stabiliseerimises.
Ajalugu.
Histoonid avastas 1884. aastal Albrecht Kossel. Kuni 1990. aastate alguseni arvati, et histoonid on ainult eukarüootse DNA inertne pakkematerjal, sest sel ajal usuti, et transkriptsiooni aktiveerivad suuremjaolt paljal DNA matriitsil toimuvad valk-DNA ja valk-valk-interaktsioonid (sarnaselt bakteritega). Michael Grunstein näitas 1980. aastatel pärmseentega töötades, et eukarüootsed histoonid represseerivad geenide transkriptsiooni ning transkriptsiooni aktivaatorite funktsiooniks on selle repressiooni ületamine. Tänapäeval on teada, et histoonidel on geeniekspressioonis nii positiivne kui ka negatiivne roll.