پروتئین هیستون چیست؟ – به زبان ساده

پروتئین هیستون چیست؟

ماده ژنتیکی یوکاریوت‌ها مولکول‌های DNA است که طول آن به بیش از ۱ متر می‌رسد. این DNA به‌‌وسیله پروتئین‌های هسته‌ای به ساختارهای بسیار فشرده‌ای به نام کروماتین تبدیل می‌شود. هیستون‌ها، پروتئین‌هایی بازی با آمینواسیدهای لیزین و آرژنین فراوان هستند که در فشرده‌سازی DNA شرکت می‌کنند. برهم‌کنش بار مثبت این پروتئین‌ها با بار منفی فسفات DNA به تشکیل کروماتین کمک می‌کند. H2A، H2B، H3، H4 وH1 پروتئین‌های هیستونی انسان هستند. پروتئین هیستون از انتهای کربوکسی کروی (هسته) و انتهای آمینی خطی (دم) تشکیل شده است. دم هیستون‌ها از شیار کوچک DNA خارج می‌شود. تمام هیستون‌ها ساختار مشابه دارند که از سه هلیکس آلفا تشکیل شده که دو لوپ آن‌ها را از هم جدا می‌کند. دیمرهای H2A-H2B و H3-H4 از برهم‌کنش این دومین‌ها تشکیل می‌شود. لوپ‌های این دومین در ساختارهایی به نام نوکلئوزوم با DNA برهم‌کنش می‌دهد. نوکلئوزوم‌ها DNA را به رشته‌هایی با قطر ۳۰nm تبدیل می‌کند.

هر نوکلئوزوم از حدود ۱۴۷ جفت‌باز تشکیل شده است که دور اوکتامر هیستون‌ها (۸ پروتئین هیستون) می‌پیچد. برهم‌کنش پروتئین‌های H3 سبب اتصال دو دیمر H3-H4 تشکیل تترامر هیستونی می‌شود. در مرحله بعد برهم‌کنش آلفا هلیکس‌های H4 در تترامر H3-H4 با آلفا هلیکس‌های H2B با در دو دیمر H2A-H2B سبب تشکیل ساختار اوکتامری هیستون‌ها می‌شود. تترامر H3-H4 هسته این اوکتامر را تشکیل می‌دهد که در دو طرف آن دیمرهای H2A-H2B قرار دارند. بین نوکلئوزوم‌ها توالی DNA رابط قرار دارد. پروتئین‌های H1 خارج از نوکلئوزوم قرار می‌گیرد. این پروتئین پایداری نوکلئوزوم را افزایش می‌دهد و در تشکیل ساختارهای فشرده‌تر کروماتین‌ها شرکت می‌کند.

هیستون های متفاوت

تغییرات اپی ژنتیک هیستون

متیلاسیون هیستون

متیلاسیون پروتئین هیستون یکی از تغییرات پس از ترجمه است که بر اساس نوع آمینواسید متیله شده و محل DNA ممکن است سبب فعال یا غیرفعال شدن ژن شود. گروه‌های متیل به آمینواسیدهای بازی آرژنین، لیزین و هیستیدین اضافه می‌شوند. یک تا سه گروه متیل به آمین $$\epsilon$$ و یک گروه متیل، دو گروه متیل متقارن یا دو گروه متیل نامتقارن به گروه گوانیدیل هر آرژنین اضافه می‌شود. یک گروه متیل به هیستیدین اضاقه می‌شود، اما فراوانی متیله شدن هیستیدین بسیار کمتر از دو آمینواسید دیگر است.

آنزیم آمین داکسیژناز و داکسیژناز وابسته به آهن حاوی دومین جومانجی (JMJD) گروه‌های متیل را از هیستون جدا یا به گروه‌های عاملی دیگر تبدیل می‌کنند. اضافه شدن گروه‌های عاملی دیگر به هیستون‌ها، فراخوانی و اتصال آنزیم‌ها به DNA و متیلاسیون را تغییر می‌دهد. برای مثال دی‌متیلاسیون H3R2، اضافه شدن گروه‌های متیل به H3K4me3 را مهار می‌کند. همچنین فسفوریلاسیون H3S10، از متیلاسیون H3K9 جلوگیری می‌کند.

متیلاسیون هیستون و DNA

متیلاسیون DNA مثل تغییرات پس از ترجمه هیستون‌ها، بیان ژن‌ها را به شکل برگشت‌پذیر تغییر می‌دهد. در این فرایند آنزیم‌های متیل‌تراسفراز گروه متیل را از SAM به سیتوزین‌ها منتقل می‌کنند. بر اساس محل متیلاسیون ژن ممکن است فعال یا غیرفعال شود. متیلاسیون هیستون می‌تواند الگوی متیلاسیون DNA و متیلاسیون DNA الگوی اضافه شدن انواع گروه‌های عاملی به هیستون را تعیین کند. بعضی از آنزیم‌های متیل‌ترانسفراز در این همانندسازی با استفاده از رشته الگو، گروه‌های متیل را به رشته در حال سنتز اضافه می‌کنند و بعضی از این آنزیم‌ها بدون داشتن الگو گروه متیل را توالی‌های غنی از CpG در پروموتر، افزاینده، مهارکننده و توالی‌های غیرکدکننده اضافه می‌کنند.

آنزیم‌های متیل‌ترانسفراز DNA از دیمر DNmT3A یا DNmT3B با DNmT3L تشکیل می‌شود. DNmT3L پس از اتصال به H3 متیل‌تراسفرازهای DNA را فرامی‌خواند. اما اضافه شدن یک، دو یا سه گروه متیل به H3 اتصال DNmT3L به هیستون و متیلاسیون DNA را مهار می‌کند. فشردگی بخش‌های متیله DNA از بخش‌های غیرمتیله بیشتر است. اضافه شدن گروه‌های استیل به هیستون بخش‌های غیرمتیله در کاهش فشردگی نقش دارد. به علاوه متیلاسیون DNA با متیلاسیون H3K9 و مهار اضافه شدن گروه‌های متیل به H3K4 همراه است.

استیلاسیون هیستون

• خانواده GNAT: جایگاه استیل‌ترانسفرازی پروتئین‌های این خانواده از ۱۶۰ آمینواسید و دومین بروم تشکیل شده است. این آنزیم‌هات گروه استیل را به لیزین H3 اضافه می‌کنند.
• خانواده MYST: جایگاه استیل ترانسفرازی پروتئین‌های این خانواده از ۲۵۰ آمینواسید تشکیل شده است که ساختارهای دوم غنی از سیستئین، دومین اتصالی به انگشت روی و کرومودومین‌های انتهای آمینی را تشکیل می‌دهند.
• خانواده p300/CBP: جایگاه استیل ترانسفرازی این پروتئین‌ها از ۵۰۰ آمینواسید با دومین‌های بروم و سه دومین هیستیدین-سیستئین تشکیل شده است. این پروتئین‌ها به تمام هیستون‌ها گروه استیل اضافه می‌کنند.

سیترولیناسیون هیستون

فسفوریلاسیون هیستون

یوبی کوئیتیلاسیون هیستون

اضافه شدن پروتئین یوبی‌کوئینیتین به هیستون‌ها بر اساس نوع هیستون و توالی DNA ممکن است با فعال یا غیرفعال شدن ژن همراه باشد. یوبی‌کوئینیتین به‌وسیله کمپلکس‌های آنزیمی یوبی‌کوئینیتین لیگاز به هیستون اضافه و به‌وسیله آنزیم‌های دیوبی‌کوئیتیلاسیون از آن جدا می‌شود. در این فرایند یوبی‌کوئینیتین ابتدا با مصرف ATP به مولکول فعال تبدیل و در مرحله بعد به آمین باقی‌مانده‌های لیزین در انتهای آمینی متصل می‌شود. اضافه شدن یوبی‌کوئینیتین به H2A متیلاسیون H3K4 را مهار و ژن را غیرفعال می‌کند. اما اضافه شدن گروه‌های یوبی‌کوئینیتین به H2B برای متیلاسیون H3K4 ضروری است. اضافه شدن یوبی‌کوئینیتین به H2AX در شناسایی شکست ۲ رشته DNA به پروتئین‌های مسیر ترمیم کمک می‌کند.

سروتونیلاسیون هیستون

ریبوزیلاسیون هیستون

پروتئین های غیرهیستونی چیست؟

فیلم آموزش اپی‌ژنتیک و مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

پروتئین های غیر هیستونی کروموزوم

کوهسین‌ها گروه دیگری از پروتئین‌های داربستی کروموزم هستند که در اتصال کروماتیدهای خواهری به هم و اتصال کروموزوم به رشته‌های دوک نقش دارند. این پروتئین‌ها علاوه بر ساختار کروموزوم، به ترمیم شرکت دورشته‌ای DNA و تنظیم بیان ژن کمک می‌کنند. این پروتئین از زیرواحدهای مشابه کاندنسین تشکیل شده است. ساختار حلقه‌ای این پروتئین دور دو رشته DNA قرار می‌گیرد. با جدا شدن کوهسین‌ها از کروموزوم در آنافاز دو کروماتید خواهری از هم جدا می‌شود. توپوایزومراز II پروتئین داربستی است که با برش دو رشته DNA و باز کردن پیچ‌ها، ساختار DNA را تغییر می‌دهد. در همانندسازی این آنزیم جلوی DNA پلیمراز حرکت کرده و پیچ‌ها را برای شروع همانندسازی باز می‌کند.

DNA پلیمرازها

DNA پلیمرازها آنزیم‌هایی هستند که وظیفه همانندسازی DNA را بر عهده دارند. این آنزیم‌های از رشته $$3^\prime\rightarrow5^\prime$$ به عنوان الگو استفاده و دئوکسی‌ریبونوکلئوتیدهای مکمل این رشته را در جهت اضافه می‌کنند. این آنزیم‌ها برای همانندسازی نیاز به پرایمرهای RNA دارند. پرایماز، پرایمر RNA را سنتز می‌کند. پنج DNA پلیمراز $$\alpha| \beta| \gamma| \delta| \epsilon$$ در همانندسازی سلول‌های یوکاریوتی شرکت می‌کند.

• DNA پلیمراز آلفا: این آنزیم رشته جدید را از جهت ۵ به ۳ همانندسازی می‌کند. بخش اگزونوکلئازی این آنزیم نوکلئوتیدها را از انتهای ۳ رشته جدا می‌کند. این آنزیم فعالیت پرایمازی نیز دارد.
• DNA پلیمراز بتا: این آنزیم در مسیرهای ترمیم جایگاه‌های بدون باز را پر می‌کند.
• DNA پلیمراز گاما: این آنزیم رشته جدید DNA میتوکندری را در جهت ۵ به ۳ همانندسازی و بخش اگزونوکلئازی این آنزیم نوکلئوتیدها را از انتهای ۳ رشته جدا می‌کند.
• DNA پلیمراز دلتا: این آنزیم رشته مکمل، رشته ۵ به ۳ والدی (رشته پیرو) را در جهت ۵ به ۳ همانندسازی و بخش اگزونوکلئازی آن نوکلئوتیدها را از انتهای ۳ رشته جدا می‌کند.
• DNA پلیمراز اپسیلون: این آنزیم رشته جدید را در ۵ به ۳ همانندسازی و ترمیم می‌کند. بخش اگزونوکلئازی این آنزیم نوکلئوتیدها را از انتهای ۳ و ۵ رشته جدا می‌کند و فعالیت پرایمازی دارد.

پروتئین هتروکروماتین و پلی کام

پروتئین هتروکروماتین ۱ (HP1) خانواده‌ای از پروتئین‌ها است که با تشکیل هتروکروماتین‌ها در تنظیم بیان ژن نقش دارد. به علاوه این پروتئین به فعال شدن رونویسی، تنظیم اتصال کوهسین به سانترومر، مهار ترجمه و ترمیم DNA نقش دارد. HP1 با هیستون‌ها، آنزیم‌های هیستون متیل‌ترانسفراز، DNA متیل ترانسفرازها، پروتئین‌های اتصالی به سیتوزین متیله و کمپلکس شناسایی همانندسازی برهم‌کنش دارد. پروتئین‌های پلی‌کام (PcG) گروهی از فاکتورهای رونویسی هستند که در مهار بیان ژن‌ها نقش دارند.

پروتئین های شبه هیستونی چیست؟

H-NS و HU عملکرد مخالف هم دارند. H-NS در فشرده شدن DNA و مهار ژن‌ها نقش دارد. اما HU رشته‌های DNA حلقوی را از هم باز، در DNA سوپرکویل ایجاد و بیان ژن‌ها را فعال می‌کند. مکانیسم مهار ژن‌ها به‌وسیله H-NS متفاوت است، اما چهار اصل مشترک دارد. H-NS درمرحله اول به پروموتر ژن متصل می‌شود. در هر ژن بیش از یک جایگاه اتصال پروتئین وجود دارد. لوپ DNA نزدیک حداقل دو ناحیه متصل به پروتئین ایجاد می‌شود و در نهایت آنزیم ANA پلیمراز در لوپ متوقف می‌شود.

آنالیز پروتئین های هیستون

• رسوب‌‌گذاری ایمنی: رسوب‌گذاری ایمنی روشی است که از برهم‌کنش آنتی‌ژن-آنتی‌بادی برای جدا کردن یک آنتی‌ژن استفاده می‌کند. به کمک روش رسوب‌گذاری ایمنی کروماتین می‌توان برهم‌کنش DNA-پروتئین و تغییرات هیستون‌ها را بررسی کرد.
• ELISA: این روش مثل رسوب‌گذاری ایمنی بر اساس برهم‌کنش آنتی‌ژن-آنتی‌بادی طراحی شده است. در این روش معمولا آنتی‌بادی‌های پروتئین مورد نظر به سطح یک پلیت متصل می‌شوند. د مرحله بعد آنتی‌بادی متصل به آنزیم و اختصاصی آنتی‌ژن به محلول اضافه می‌شود. عملکرد این آنزیم سوبسترا به به ماده رنگی تبدیل می‌کند. هر چه مقدار آنتی‌ژن در یک محلول باشد، شدت رنگ افزایش خواهد یافت.
• طیف‌سنجی جرمی
• آرایه پپتدی: در روش آرایه پپتیدی مثل بیشتر روش‌های آنالیز پروتئین‌ها بر اساس برهم‌کنش آنتی‌بادی-آنتی‌ژن طراحی شده است. در این روش پروتئین‌های هیستون تغییریافته و بدون تغییر روی صفحه کوچک پلاستیکی قرار می‌گیرند. در مرحله اول آنتی‌بادی ویژه این پروتئین‌ها به ترکیب اضافه می‌شود. در مرحله دوم آنتی‌بادی مخصوص آنتی‌بادی قبلی (متصل به ترکیب فلورسنت) به ترکیب اضافه می‌شود.
• تست استیل ترانسفراز: فعالیت آنزیم استیل‌ترانسفراز را می‌توان با بررسی هیستون‌های استیله شده یا مقدار استیل کوآنزیم آزاد در محلول را با استفاده از نشاگرهای آنزیمی، فلورسنت و رادیواکتیو شناسایی کرد.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس توضیح دادیم که هیستون‌ها پروتئین‌هایی با بار مثبت هستند که با تشکیل نوکلئوزوم‌ها در فشرده کردن DNA یوکاریوتی نقش دارند. هر نوکلئوزوم از ۸ زیرواحد هیستونی تشکیل شده است و به‌وسیله توالی رابط به نوکلئوزوم دیگر متصل می‌شود. این پروتئین‌ها DNA را به رشته‌هایی با قطر ۳۰ nm تبدیل می‌کنند. اضافه شدن گروه‌های متیل، فسفات، استیل، سروتونین و سیترولین به انتهای آمینی هیستون‌ها برهم‌کنش پروتئین-DNA و بیان ژن‌ها را تغییر می‌دهد. اضافه شدن گروه‌های متیل با غیرفعال شدن و اضافه شدن گروه‌های استیل با فعال شدن ژن همراه است. پروتئین‌های غیرهیستونی، مجموعه از پروتئین‌ها و آنزیم‌ها هستند که در تشکیل ساختار کروموزم‌ها نقش دارند. همچنین توضیح دادیم که هیستون همراه ژنوم یوکاریوتی هستند.در باکتری‌ها پروتئین‌هایی شبیه به هیستون با توالی و ساختار متفاوت اما عملکرد مشابه به فشرده شدن DNA حلقوی و تنظیم بیان ژن‌ها کمک می‌کند.