组织蛋白

组织蛋白（histone，或称组蛋白）是真核生物体细胞染色质与原核细胞中的碱性蛋白质，和DNA共同组成核小体结构。它们是染色质的主要蛋白质组分，作为DNA缠绕的线轴，并在基因调控中发挥作用，但是原核细胞组蛋白对基因调控的作用非常微弱。没有组织蛋白，染色体中未缠绕的DNA将非常长（人类DNA中的长宽比超过1000万比1）。例如，每个人类二倍体细胞（含有23对染色体）具有约1.8米长的DNA，但是在组织蛋白上缠绕它具有大约90微米（0.09毫米）的染色质，当在有丝分裂期间复制和浓缩时，其导致约120微米的染色体。

## 分类和组织蛋白变体

存在五个主要的组织蛋白家族： H1/H5，H2A，H2B，H3和H4。组织蛋白H2A，H2B，H3和H4被称为核心组织蛋白（Core Histone），而组织蛋白H1/H5被称为连接组织蛋白（Linker Histone）。

在H2A、H2B、H3及H4这四种组织蛋白中的其中两种称为“核心组织蛋白”，并且集合成为八聚体的核小体核心颗粒。这种集合是将DNA的146对碱基对以1.65左手超螺旋形围在这个蛋白质线轴。连接组织蛋白H1将核小体核心颗粒与DNA的进入位点及E位点结合，因而可以将DNA紧扣在位，并且能容许形成更高层次的结构。最基本的形状为一个10纳米的纤维或一连串的珠子。这涉及将在每一个核小体之间约50对的DNA碱基对围在这些核小体上，这些DNA又称为连接DNA。较高层次的结构包括有30及100纳米的纤维，是在一般细胞内的结构。在减数分裂中，透过核小体与其他蛋白质的相互作用，合成染色体。合成的组织蛋白与DNA称为染色质。

核心组织蛋白是高度保守的蛋白质，意即组织蛋白在氨基酸序列中有着非常小的改变。连接组织蛋白通常有着多于一种的形状，对比核心组织蛋白是保守程度较低的。

在主要的组织蛋白类别中，亦存在一些异构体。它们有着相同的氨基酸序列及相似的核心结构，但却有着不同的特征。这些不同的组织蛋白通常带着染色质的特别功能，就如与H3相似的CenpA是唯一的组织蛋白与染色体的着丝点联合；H2A的异构体H2A.Z是与活性转录基因联合与涉及在异染色体的形成；另一个H2A异构体H2A.X以双链断裂与DNA结合，并进行DNA修复。

### H1

组织蛋白H1有着一个中央球状结构域及长的C与N端尾巴，能将小珠子串结构围成30纳米大小的螺线管结构。对比其他种类的组织蛋白，H1的数量只为其他的一半。这是因为它不是构成核小体部分，而只是将DNA及核小体紧扣在一起。H1亦有着它的异构体，称为组织蛋白H5。

### H2A、H2B及H4

组织蛋白H2A、H2B及H4同样有着一个主要的球状结构域与长的N端尾巴，是组成小珠子串结构内的核小体的重要单元。

### H3

与组织蛋白H2A及H2B类似，组织蛋白H3有着一个主要的球状结构域与长的N端尾巴，是组成小珠子串结构内的核小体的重要原素。它的N端尾巴从球状核小体核心伸出，能进行多种影响细胞运作的表观遗传修饰。这些修饰包括将甲基及乙酰基共价附着于离氨酸或精氨酸，及丝氨酸或羟丁氨酸的磷酸化。离氨酸9的甲基化涉及基因沉默及在DNA内形成相对较不活跃的异染色质。组织蛋白H3的乙酰基化会在组织蛋白尾巴内不同的离氨酸位置出现，并且由组织蛋白乙酰转移酶（HAT）所催化。离氨酸14的乙酰基化在基因中很普遍，亦会转录成为核糖核酸（RNA）。

以下是人类组蛋白的列表：

超级家族｜家族｜亚家族｜成员

连接组织蛋白｜H1｜H1F｜H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX

H1H1｜HIST1H1A, HIST1H1B, HIST1H1C, HIST1H1D, HIST1H1E, HIST1H1T

核心组织蛋白｜H2A｜H2AF｜H2AFB1, H2AFB2, H2AFB3, H2AFJ, H2AFV, H2AFX, H2AFY, H2AFY2, H2AFZ

H2A1｜HIST1H2AA, HIST1H2AB, HIST1H2AC, HIST1H2AD, HIST1H2AE, HIST1H2AG, HIST1H2AI, HIST1H2AJ, HIST1H2AK, HIST1H2AL, HIST1H2AM

H2A2｜HIST2H2AA3, HIST2H2AC

H2B｜H2BF｜H2BFM, H2BFS, H2BFWT

H2B1｜HIST1H2BA, HIST1H2BB, HIST1H2BC, HIST1H2BD, HIST1H2BE, HIST1H2BF, HIST1H2BG, HIST1H2BH, HIST1H2BI, HIST1H2BJ, HIST1H2BK, HIST1H2BL, HIST1H2BM, HIST1H2BN, HIST1H2BO

H2B2｜HIST2H2BE

H3｜H3A1｜HIST1H3A, HIST1H3B, HIST1H3C, HIST1H3D, HIST1H3E, HIST1H3F, HIST1H3G, HIST1H3H, HIST1H3I, HIST1H3J

H3A2｜HIST2H3C

H3A3｜HIST3H3

H4｜H41｜HIST1H4A, HIST1H4B, HIST1H4C, HIST1H4D, HIST1H4E, HIST1H4F, HIST1H4G, HIST1H4H, HIST1H4I, HIST1H4J, HIST1H4K, HIST1H4L

H44｜HIST4H4

## 结构

核小体核心颗粒是由两个H2A-H2B二聚物及两个H3-H4二聚物结合而成，形成两半接近对称的蛋白质三级结构（2阶旋转对称，即1个高分子是另一个的镜像）。H2A-H2B及H3-H4二聚物本身亦呈现伪双向对称。

这四个核心组织蛋白（H2A、H2B、H3及H4）是在结构上相似及在进化中高度保存的，所有均有着一个“螺旋缠绕螺旋缠绕螺旋”的形状，可以容许简单的二聚化。它们在氨基酸结构上都有着一条长的尾巴，让转录后修饰的进行。

总括来说，组织蛋白与DNA有着五种的相互作用：

- H2B、H3及H4的α螺旋两极积聚正电，能与DNA的带有负电荷的磷酸盐分子团产生相互作用。
- 在DNA骨干与胺基之间的氢键对组织蛋白的主链。
- 组织蛋白与DNA的脱氧核糖的非极性相互作用。
- 碱性氨基酸（如离氨酸及精氨酸）旁链与DNA磷酸氧旁链之间的盐连及氢键。
- H3及H2B的N端尾巴的非特定副槽面插入至DNA分子的两个副槽面。

组织蛋白最重要的基本性质，除了是协助与DNA的相互作用外，就是它的水溶性。

组织蛋白的转译后修饰会先在它的N端尾巴开始，再而在其球状结构域进行。这种修饰包括有甲基化、瓜氨酸化、乙酰化、磷酸化、小泛素相关修饰蛋白、泛素化及二磷酸腺苷核糖基化。这些影响着组织蛋白在基因调控的功能。

一般来说，活性的基因较少与组织蛋白联系，但非活性的基因会在间期中与组织蛋白联合。组织蛋白的结构在进化上保存，这是因为任何有害的突变会造成严重的不适应性。

## 历史

于1884年，艾布瑞契·科塞尔首先发现组织蛋白。直至1990年代早期，组织蛋白才被更多认识，并非纯粹细胞核的惰性填充料，这部分基于马克·普塔什尼(Mark Ptashne)等人的模型，他们认为转录是被蛋白质-DNA和蛋白质-蛋白质相互作用在很大程度上被激活裸DNA模板，就像细菌一样。及后它的调控功能才被发现。

在1980年代，Yahli Lorch和罗杰·科恩伯格(Roger Kornberg)表明，核心启动子上的核小体体外阻止了转录的启动，迈克尔·格伦斯坦(Michael Grunstein)证明组蛋白在体内抑制转录，导致核小体为 一般基因阻遏物。

## 功能

### 填充蛋白质

组织蛋白作为DNA缠绕的线轴。这使得能够在细胞核内将真核细胞的大型的基因组所必需的压实物：压实的分子比未压实的分子短40,000倍。

### 染色质调控

组织蛋白进行翻译后修饰，以更改它与DNA及其他核蛋白的相互作用。组织蛋白H3及H4有着核小体伸出的长尾巴，能够在不同的地方进行共价修饰。这种修饰包括有甲基化、瓜氨化、乙酰基化、磷酸化、小泛素相关修饰化、泛素化及二磷酸腺苷核糖基化。组织蛋白核心（即H2A及H3）亦可以作出修饰。修饰的组合可以组成编码，成为组织蛋白编码。组织蛋白修饰在不同的生物过程起着作用，包括基因表观调控、DNA修复、有丝分裂及减数分裂。

组织蛋白修饰的命名是：

- 先以组织蛋白名称开始，如H3。
- 单一字母的氨基酸简称，如K代表赖氨酸，及在蛋白质的位置；及
- 修饰的种类，Me即甲基化、P即磷酸化、Ac即乙酰化及Ub即泛素化。

举例来说，H3K4Me就代表组织蛋白H3从N端开始起计第4个赖氨酸的甲基化。

## 外部链接

- HistoneDB 2.0 - 组织蛋白和变体数据库 —在美国国家生物技术信息中心（NCBI）
- Chromatin, Histones & Cathepsin ; PMAP The Proteolysis Map-animation