組織蛋白

組織蛋白（histone，或稱組蛋白）是真核生物體細胞染色質與原核細胞中的鹼性蛋白質，和DNA共同組成核小體結構。它們是染色質的主要蛋白質組分，作為DNA纏繞的線軸，並在基因調控中發揮作用，但是原核細胞組蛋白對基因調控的作用非常微弱。沒有組織蛋白，染色體中未纏繞的DNA將非常長（人類DNA中的長寬比超過1000萬比1）。例如，每個人類二倍體細胞（含有23對染色體）具有約1.8米長的DNA，但是在組織蛋白上纏繞它具有大約90微米（0.09毫米）的染色質，當在有絲分裂期間複製和濃縮時，其導致約120微米的染色體。

## 分類和組織蛋白變體

存在五個主要的組織蛋白家族： H1/H5，H2A，H2B，H3和H4。組織蛋白H2A，H2B，H3和H4被稱為核心組織蛋白（Core Histone），而組織蛋白H1/H5被稱為連接組織蛋白（Linker Histone）。

在H2A、H2B、H3及H4這四種組織蛋白中的其中兩種稱為「核心組織蛋白」，並且集合成為八聚體的核小體核心顆粒。這種集合是將DNA的146對鹼基對以1.65左手超螺旋形圍在這個蛋白質線軸。連接組織蛋白H1將核小體核心顆粒與DNA的進入位點及E位點結合，因而可以將DNA緊扣在位，並且能容許形成更高層次的結構。最基本的形狀為一個10納米的纖維或一連串的珠子。這涉及將在每一個核小體之間約50對的DNA鹼基對圍在這些核小體上，這些DNA又稱為連接DNA。較高層次的結構包括有30及100納米的纖維，是在一般細胞內的結構。在減數分裂中，透過核小體與其他蛋白質的相互作用，合成染色體。合成的組織蛋白與DNA稱為染色質。

核心組織蛋白是高度保守的蛋白質，意即組織蛋白在胺基酸序列中有著非常小的改變。連接組織蛋白通常有著多於一種的形狀，對比核心組織蛋白是保守程度較低的。

在主要的組織蛋白類別中，亦存在一些異構體。它們有著相同的胺基酸序列及相似的核心結構，但卻有著不同的特徵。這些不同的組織蛋白通常帶著染色質的特別功能，就如與H3相似的CenpA是唯一的組織蛋白與染色體的著絲點聯合；H2A的異構體H2A.Z是與活性轉錄基因聯合與涉及在異染色體的形成；另一個H2A異構體H2A.X以雙鏈斷裂與DNA結合，並進行DNA修復。

### H1

組織蛋白H1有著一個中央球狀結構域及長的C與N端尾巴，能將小珠子串結構圍成30納米大小的螺線管結構。對比其他種類的組織蛋白，H1的數量只為其他的一半。這是因為它不是構成核小體部份，而只是將DNA及核小體緊扣在一起。H1亦有著它的異構體，稱為組織蛋白H5。

### H2A、H2B及H4

組織蛋白H2A、H2B及H4同樣有著一個主要的球狀結構域與長的N端尾巴，是組成小珠子串結構內的核小體的重要單元。

### H3

與組織蛋白H2A及H2B類似，組織蛋白H3有著一個主要的球狀結構域與長的N端尾巴，是組成小珠子串結構內的核小體的重要原素。它的N端尾巴從球狀核小體核心伸出，能進行多種影響細胞運作的表觀遺傳修飾。這些修飾包括將甲基及乙醯基共價附著於離氨酸或精氨酸，及絲氨酸或羥丁氨酸的磷酸化。離氨酸9的甲基化涉及基因沉默及在DNA內形成相對較不活躍的異染色質。組織蛋白H3的乙醯基化會在組織蛋白尾巴內不同的離氨酸位置出現，並且由組織蛋白乙醯轉移酶（HAT）所催化。離氨酸14的乙醯基化在基因中很普遍，亦會轉錄成為核糖核酸（RNA）。

以下是人類組蛋白的列表：

超級家族｜家族｜亞家族｜成員

連接組織蛋白｜H1｜H1F｜H1F0, H1FNT, H1FOO, H1FX

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

核心組織蛋白｜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

## 結構

核小體核心顆粒是由兩個H2A-H2B二聚物及兩個H3-H4二聚物結合而成，形成兩半接近對稱的蛋白質三級結構（2階旋轉對稱，即1個高分子是另一個的鏡像）。H2A-H2B及H3-H4二聚物本身亦呈現偽雙向對稱。

這四個核心組織蛋白（H2A、H2B、H3及H4）是在結構上相似及在進化中高度保存的，所有均有著一個「螺旋纏繞螺旋纏繞螺旋」的形狀，可以容許簡單的二聚化。它們在胺基酸結構上都有著一條長的尾巴，讓轉錄後修飾的進行。

總括來說，組織蛋白與DNA有著五種的相互作用：

- H2B、H3及H4的α螺旋兩極積聚正電，能與DNA的帶有負電荷的磷酸鹽分子團產生相互作用。
- 在DNA骨幹與胺基之間的氫鍵對組織蛋白的主鏈。
- 組織蛋白與DNA的脫氧核糖的非極性相互作用。
- 鹼性胺基酸（如離氨酸及精氨酸）旁鏈與DNA磷酸氧旁鏈之間的鹽連及氫鍵。
- H3及H2B的N端尾巴的非特定副槽面插入至DNA分子的兩個副槽面。

組織蛋白最重要的基本性質，除了是協助與DNA的相互作用外，就是它的水溶性。

組織蛋白的轉譯後修飾會先在它的N端尾巴開始，再而在其球狀結構域進行。這種修飾包括有甲基化、瓜氨酸化、乙醯化、磷酸化、小泛素相關修飾蛋白、泛素化及二磷酸腺苷核糖基化。這些影響著組織蛋白在基因調控的功能。

一般來說，活性的基因較少與組織蛋白聯繫，但非活性的基因會在間期中與組織蛋白聯合。組織蛋白的結構在進化上保存，這是因為任何有害的突變會造成嚴重的不適應性。

## 歷史

於1884年，艾布瑞契·科塞爾首先發現組織蛋白。直至1990年代早期，組織蛋白才被更多認識，並非純粹細胞核的惰性填充料，這部分基於馬克·普塔什尼(Mark Ptashne)等人的模型，他們認為轉錄是被蛋白質-DNA和蛋白質-蛋白質相互作用在很大程度上被激活裸DNA模板，就像細菌一樣。及後它的調控功能才被發現。

在1980年代，Yahli Lorch和羅傑·科恩伯格(Roger Kornberg)表明，核心啟動子上的核小體體外阻止了轉錄的啟動，麥可·格倫斯坦(Michael Grunstein)證明組蛋白在體內抑制轉錄，導致核小體為 一般基因阻遏物。

## 功能

### 填充蛋白質

組織蛋白作為DNA纏繞的線軸。這使得能夠在細胞核內將真核細胞的大型的基因組所必需的壓實物：壓實的分子比未壓實的分子短40,000倍。

### 染色質調控

組織蛋白進行翻譯後修飾，以更改它與DNA及其他核蛋白的相互作用。組織蛋白H3及H4有著核小體伸出的長尾巴，能夠在不同的地方進行共價修飾。這種修飾包括有甲基化、瓜氨化、乙醯基化、磷酸化、小泛素相關修飾化、泛素化及二磷酸腺苷核糖基化。組織蛋白核心（即H2A及H3）亦可以作出修飾。修飾的組合可以組成編碼，成為組織蛋白編碼。組織蛋白修飾在不同的生物過程起著作用，包括基因表觀調控、DNA修復、有絲分裂及減數分裂。

組織蛋白修飾的命名是：

- 先以組織蛋白名稱開始，如H3。
- 單一字母的胺基酸簡稱，如K代表賴氨酸，及在蛋白質的位置；及
- 修飾的種類，Me即甲基化、P即磷酸化、Ac即乙醯化及Ub即泛素化。

舉例來說，H3K4Me就代表組織蛋白H3從N端開始起計第4個賴氨酸的甲基化。

## 外部連結

- HistoneDB 2.0 - 組織蛋白和變體資料庫 —在美國國家生物技術資訊中心（NCBI）
- Chromatin, Histones & Cathepsin ; PMAP The Proteolysis Map-animation