Inimese rakus on umbes 2 meetrit DNA-d

Rakutuuma läbimõõt on umbes 10 m

Et DNA rakku ära mahuks, tuleb seda kokku pakkida ligikaudu 100 000 korda.

KROMATIIN

Rakutuumas pakitakse genoomne DNA kokku kromatiiniks, mis koosneb DNA-st ja valkudest.

Kromatiini korrapäraseks pakkimisel on kõige olulisemad valgud histoonid.

Histoonid on spetsiaalselt DNA pakkimiseks mõeldud valgud ning need on evolutsiooniliselt väga konserveerunud (liikidevahelised erinevused pärmist inimeseni reeglina kuni 4-5 aminohappejääki).

HISTOONID

H1 213 ah

H2A 129 ah

H2B 125 ah

H3 135 ah

H4 102 ah

On olemas ka mitmeid alternatiivseid histoone, mida lülitakse kromatiini koosseisu spetsiaalsetes piirkondades või erijuhtumitel (tsentromeerid, inaktiivne X-kromosoom, DNA reparatsioon, aktiivne transkriptsioon)

DNA pakkimise väikseim „ühik“ on nukleosoom, mis koosneb 8-st histooni molekulist ja 147-st aluspaarist DNA-st.

NUKLEOSOOM

Nukleosoomi tuumiku moodustavad histoonid H3, H4, H2A ja H2B, mida kõiki on kahes korduses. Nendest H3 ja H4 moodustavad tetrameeri (2 x H3-H4 dimeer), millele omakorda kinnituvad kaks H2A-H2B dimeeri.

Ümber histoonide oktameeri on keeratud 1.65 ringi DNA-d. Kahe nukleosoomi vahele jääb umbes 15-55 aluspaari DNA-d ning sellele alale seondub histoon H1. H1 katab veel 20 bp, seega kogu nukleosoomiga kaetud 167 bp DNA-d. Sellise nukleosoomide keti läbimõõt on 10 nm.

http://www.callutheran.edu/BioDev/omm/nucleosome/nucleosome.htm

Nukleosoomide rida DNA-l moodustab nn “pärlikee” struktuuri

Järgmises etapis pakitakse nukleosoomid omavahel kokku, mille tulemusena moodustub 30-nm kromatiini fiiber.

NUKLEOSOOMID

Teoreetiliselt on 30-nm fiibri moodustamiseks mitmeid võimalusi

30-nm kromatiini fiiber

30-nm kromatiini fiiber

One-start helix Two-start helix

Praegused eksperimentaalsed andmed toetavad 30-nm fiibri moodustumisel pigem zigzag mudelit.

Histoon H1 (ka nn „linker“ histoon) on oluline 30-nm fiibri struktuuri stabiliseerimiseks, kuigi põhimõtteliselt moodustb 30-nm fiiber ka ilma histoon H1-ta. Samuti on teada, et H1 on kromatiiniga seotud üsna dünaamiliselt: H1 seondub ja vabaneb kromatiinilt suhteliselt sageli.

30-nm kromatiini fiiber

Kromatiini kõrgemat järku struktuurid

30-nm fiiber kinnitub lingudena kromosoomi tugivalkudele (chromosome scaffold), mis omakorda kondenseerub kuni metafaasi kromosoomini.

Tugivalkudega seonduvaid DNA piirkondi nimetatakse SAR-iks (scaffold associated region) või ka MAR-iks (matrix-attachment region)

Histoonide N-terminaalsed sabad jäävad nukleosoomist väljapoole ning on vastutavad paljude valk-valk interaktsioonide eest, samuti toimub nendes piirkondades histoonide post-translatsiooniline modifitseerimine.

HISTOONIDE “SABAD”

Histoonidel on kirjeldatud järgmisi modifikatsioone:

Lüsiinijääkide atsetüleerimine, metüleerimine ja ubikvitineerimine

Arginiinijääkide metüleerimine

Seriini- ja treoniinijääkide fosforüleerimine

Histoonide N-terminaalsete osade modifitseerimine mõjutab nii kromatiini struktuuri (nukleosoomide omavahelisi interaktsioone) kui ka teiste valkude seondumist kromatiinile

H3

H4

H2B

H2A

H2A

H2B

Lüsiinijääkide atsetüleerimine

Atsetüleerimine tulemusena:

1. Eemaldatakse lüsiinijäägilt positiivne laeng, mistõttu nõrgenevad interaktsioonid DNA ja histoonide vahel ning samuti nõrgenevad naabernukleosoomide omavahelised interaktsioonid.

2. Tekitatakse seondumiskoht bromodomääni sisaldavatele valkudele.

Histoone atsetüleerivad histoonide atsetüültransferaasid (HAT) ning deatsetüleerivad histoonide deatsetülaasid (HDAC)

Histoonide atsetüleerimised on olulised kromatiini aktiivsuse reguleerimisel ning replikatsiooni käigus uute nukleosoomide moodustamisel.

Lüsiini- ja arginiinijääkide metüleerimine

Metüleeritud lüsiinijääkidega seonduvad kromodomääni sisaldavad valgud

Eksisteervad erinevad metüül-transferaasid, millel kõigil on erinev spetsiifika, samuti on mitmeid ensüüme ja mehhanisme metüülrühmade eemaldamiseks lüsiini- ja arginiinijääkidelt

Histoonide metüleerimised on olulised kromatiini aktiivsuse määratlemiseks (= transkriptsiooni reguleerimiseks)

Teised modifikatsioonid

Histoonide fosforüleerimine on üldiselt seotud kas teiste modifikatsioonide reguleerimisega või siis kromatiini kondenseerumisega mitoosis.

Ubikvitiini lisamine histoon H2B C-terminusse on seotud geeni transkriptsioonilise aktiivsusega ning on vajalik histoon H3 Lys4 ja Lys79 metüleerimiseks

H2B

Mida histoonide modifikatsioonid tähendavad:

Mõnedel histoonide modifikatsioonidel on selge seos rakus toimuvate protsessidega, kuid paljudel juhtudel on nende modifikatsioonide tähenduste mõistmine hüpoteeside ja korrelatsioonide tasemel. Mõned seosed:

1. Atsetüleeritud histoonid tähistavad transkriptsiooniliselt aktiivset kromatiini.

2. Histoon H4 Lys5 ja Lys12 atsetüleeritakse kohe peale H4 sünteesi ning see on vajalik uute nukleosoomide kokkupanekuks.

3. Histoon H3 Lys9 võib olla kas atsetüleeritud või metüleeritud. Kui see on atsetüleeritud, siis on tegu transkriptsiooniliselt aktiivse kromatiiniga, kui metüleeritud, siis on transkriptsioon represseeritud.

4. Histoon H4 Lys16 on atsetüleeritud transkriptsioonililselt aktiivses kromatiinis, aga deatsetüleeritud heterokromatiinsetel aladel.

Mida histoonide modifikatsioonid tähendavad:

5. Histooni H4 Lys16 atsetüleerimine omab üldiselt suurt mõju kromatiini struktuurile ja aktiivsusele:

Lys16 atsetüleeritus piirab telomeeridelt lähtuva heterokromatiini levikut. Pärmi telomeerseid piirkondi katva SIR valgukompleksi üks subühik, Sir2, on Lys16 spetsiifiline histooni deatsetülaas.

Lys16 atsetüleerimine destabiliseerib 30-nm fiibri struktuuri, sest H4 N-terminaalne domään interakteerub naabernukleosoomi H2A-H2B dimeeriga ning AcK16 takistab seda interaktsiooni.

Kui pärmis uuriti histoon H4 kõikide atsetüleeritavate lüsiinijääkide rolli geenide transkriptsioonis, siis vaid Lys16 muteerimine omas selget mõju, kõikide teiste lüsiinide (K5, K8, K12) ühekaupa muteerimine erilist mõju ei avaldanud.

Kõigi nelja lüsiini üheaegne muteerimine on pärmi jaoks letaalne.

Mida histoonide modifikatsioonid tähendavad:

6. Histooni H3 Lys56 atsetüleerimine on vajalik H3 lülitamiseks kromatiini – AcK56 iseloomustab värskelt sünteesitud histoone. See modifikatsioon eemaldatakse G2/M faasis peale replikatsiooni. Lys56 asub nukleosoomis kohas, mis jääb DNA sisenemise ja väljumise piirkonda ning AcK56 tõenäoliselt nõrgendab H3 interaktsiooni DNA-ga. AcK56 on oluline ka replikatsiooni käigus tekkivate DNA vigastuste äratundmiseks ning nende kõrvaldamiseks.

7. Histooni H3 Lys79 metüleerimine (mis muuhulgas toimub ka transkriptsiooni käigus) on oluline hoidmaks ära SIR kompleksi seondumist sinna, kuhu pole vaja - transkribeeritavasse kromatiini. See modifikatsioon on olemas umbes 90% pärmi H3 histoonidel.

Mida histoonide modifikatsioonid tähendavad: sõltub kuidas vaadata

Enamasti tuleb histoonide modifikatsioone vaadata ühtse tervikuna, sest konkreetse modifikatsiooni “sõnum” võib sõltuda teiste modifikatsioonide kontekstist.

Näiteks histooni H3 Ser10 fosforüleerimine omab erinevat funktsiooni, sõltuvalt sellest, kas Lys9 on metüleeritud või mitte:

S10 fosforüleeritakse mitoosis ning selle peale vabaneb heterokromatiini valk HP1

Kui Lys9 pole metüleeritud, siis viib S10 fosforüleerimine Lys9 ja Lys14 atsetüleerimiseni ning transkriptsiooni aktivatsioonini.

Histoonide modifikatsioonid on omavahelises sõltuvuses.

On modifikatsioone, mis välistavad nende samaaegse esinemise:

Histooni H3 Lys9 ja Lys14 võivad olla kas atsetüleeritud või metüleeritud (ja seejuures kas mono-, di-, või trimetüleeritud).

On modifikatsioone, mille toimumine sõltub teiste modifikatsioonide olemasolust:

H2B K123Ub -> H3 K4triMet -> H3 ja H4 atsetüleerimine

H2B

Mida histoonide modifikatsioonid tähendavad: histooni koodi

hüpoteesOlgugi, et osadel juhtudel on võimalik leida otsene seos histoonide modifikatsioonide ja kromatiini struktuuri vahel, on siiski suur osa modifikatsioone, mis ei peaks otseselt kromatiinile mõju avaldama.

Seetõttu pakkusid Brian Strahl ja David Allis 2000. aastal välja hüpoteesi, et tegelikult moodustavad histoonide modifikatsioonid omalaadse mustri, mis on iseloomulik ühele või teisele kromatiini olekule (heterokromatiinile, aktiivselt transkribeeritavale kromatiinile, jne). Seda nimetatakse “histooni koodiks” ning koos DNA modifikatsioonide mustriga võib seda kokku nimetada “epigeneetiliseks koodiks”

Histooni koodi hüpoteesi eelduseks on see, et leidub miski, mis suudab seda koodi lugeda ja siis vastavalt tegutseda.