組蛋白

**組織蛋白**（英語：**histone**，或稱**組織蛋白**）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體分，作為 DNA 纏繞的線軸，並在基因調控中發揮作用，但是原核細胞組織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 奈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 奈米的纖維，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，亦存在一些異構物。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 的異構物 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 異構物 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 奈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 亦有著它的異構物，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胺酸或精胺酸，及絲胺酸或羥丁胺酸的磷酸化。離胺酸 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胺酸位置出現，並且由組織蛋白乙醯轉移酶（HAT）所催化。離胺酸 14 的乙醯基化在基因中很普遍，亦會轉錄成為核糖核酸（RNA）。

以下是人類組織蛋白的列表：

## 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：

1. 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。
2. 在 DNA 骨幹與胺基之間的氫鍵對組織蛋白的主鏈。
3. 組織蛋白與 DNA 的去氧核糖的非極性相互作用。
4. 鹼性胺基酸（如離胺酸及精胺酸）旁鏈與 DNA 磷酸氧旁鏈之間的鹽連及氫鍵。
5. 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、瓜胺酸化、乙醯化、磷酸化、小泛素相關修飾化、泛素化及二磷酸腺苷核醣基化。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活化裸 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) 證明組織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

組織蛋白進行轉譯後修飾，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醣基化。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：

1. 先以組織蛋白名稱開始，如 H3；
2. 單一字母的胺基酸簡稱，如 K 代表離胺酸，及在蛋白質的位置；及
3. 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 個離胺酸的甲基化。

## 參考文獻

## 參見

* 染色質
* 基因沉默
* 遺傳學
* 組織蛋白脫乙醯酶
* 核小體

## 外部連結

* HistoneDB 2.0 - 組織蛋白和變體資料庫 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） -- 在美國國家生物技術資訊中心（NCBI）
* Chromatin, Histones & Cathepsin （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）; PMAP The Proteolysis Map-animation