Pfam | PF00125 |
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Clan Pfam | CL0012 |
InterPro | IPR007125 |
SCOP | 1 ora |
SUPERFAMIGLIA | 1 ora |
Pfam | PF00538 |
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InterPro | IPR005818 |
INTELIGENTE | SM00526 |
SCOP | 1hst |
SUPERFAMIGLIA | 1hst |
Gli istoni sono proteine situate nel nucleo delle cellule eucariote e negli archaea . Sono i principali costituenti proteici dei cromosomi . Sono infatti strettamente associati al DNA di cui consentono la compattazione, questa azione formando strutture chiamate nucleosomi : il DNA è avvolto attorno agli istoni come filo attorno ad una bobina. Gli istoni sono molto ricchi di aminoacidi basici ( lisina e arginina ), la cui carica positiva a pH fisiologico consente una forte interazione con i gruppi fosfato del DNA portatori di cariche negative.
Gli istoni sono piccole proteine basiche con una massa molecolare compresa tra 13 e 15 kDa. Sono caratterizzati da un dominio C-terminale globulare, il dominio della piega istonica . Questo dominio, molto conservato dagli archei agli eucarioti superiori, è costituito da tre eliche α separate da due brevi anelli. Consente la dimerizzazione degli istoni in un cosiddetto modello di stretta di mano , che funge da base per l'assemblaggio del nucleosoma .
Il dominio della piega istonica si trova in molte proteine diverse dagli istoni e definisce la famiglia di proteine note come simili agli istoni .
L'N-terminale degli istoni non è strutturato e sporge all'esterno del DNA nel nucleosoma assemblato. Queste estremità sono accessibili agli enzimi modificanti .
Gli istoni comprendono cinque classi di proteine, raggruppate in due categorie in base al loro ruolo nella formazione del nucleosoma:
Ogni classe comprende diversi sottotipi (eccetto la classe H4) distinti in base al loro profilo di espressione:
Nelle cellule cicliche, i sottotipi la cui espressione è accoppiata alla replicazione predominano nella cromatina, motivo per cui sono chiamati istoni convenzionali o canonici . Al contrario, gli altri sottotipi sono indicati come "varianti istoniche" ; generalmente rappresentano meno del 10% degli istoni totali nelle cellule cicliche, ma questa proporzione può raggiungere il 50% nelle cellule differenziate.
I geni che codificano gli istoni convenzionali sono solitamente presenti nel genoma in più copie organizzate in cluster - per esempio negli esseri umani, tre cluster sui cromosomi 1 e 6; nei topi, tre cluster sui cromosomi 3, 11 e 13. Presentano caratteristiche atipiche per i geni eucariotici, come l'assenza di introni e la terminazione della trascrizione segnalata da una struttura stelo-loop invece che da un segnale di poliadenilazione . Al contrario, i geni che codificano le varianti istoniche sono presenti solo in una o due copie e sono distribuiti isolatamente in tutto il genoma; Hanno tutti almeno un introne e un segnale di poliadenilazione.
Ci sono circa cinquantaquattro coppie di basi tra due nucleosomi, questo valore varia a seconda della specie (ad esempio, ce ne sono centosessantacinque per il lievito ). Il livello successivo di compattazione del DNA coinvolge altre cosiddette proteine " non istoniche " . "
Il grado di condensazione del DNA attorno ai nucleosomi istonici e alle proteine non istoniche è variabile lungo i cromosomi , nella cromatina . È a basso contenuto di eucromatina cosiddetta "aperta" ed è accessibile al macchinario della RNA polimerasi . È ricco di eterocromatina , che si dice sia "chiusa" e "inaccessibile" al meccanismo di trascrizione .
Questo grado di condensazione è regolato da modifiche delle estremità N-terminali degli istoni, come fosforilazioni , acetilazioni , metilazioni , ubiquitinazioni , sumoilazioni , ecc. tutte queste modificazioni sono catalizzate da enzimi specifici. Le modificazioni covalenti degli istoni agirebbero o direttamente modificando la compattazione dell'avvolgimento del DNA attorno ai nucleosomi, oppure indirettamente costituendo "segni" che permettessero il reclutamento di proteine in grado di modificare la struttura della cromatina . Il modello delle modifiche covalenti degli istoni che agiscono come un codice (il "codice istonico") è stato proposto da Strahl e Allis nel 2000 sulla rivista Nature . Tuttavia, questo codice sembra essere lungi dall'essere universale e piuttosto relativamente specifico a seconda dei geni e delle cellule considerate.
Il codice dell'istone stabilisce un collegamento diretto tra la modifica di alcuni residui della coda dell'istone che crea legami per gli effettori delle proteine e lo stato trascrizionale delle cromatine .
Una modifica dell'istone può influenzarne un'altra in modo sinergico o antagonistico; è un meccanismo che genera e stabilizza specifiche impronte digitali.
L' acetilazione (aggiunta del gruppo acetile) viene effettuata su enzimi specifici attraverso residui di lisina denominati istone acetil transferasi (HAT).
Generalmente diminuisce l'interazione inter-nucleosomica e tra le code degli istoni e il frammento di DNA che costituisce il collegamento tra i nucleosomi. Questo porta al rilassamento della cromatina, facendola passare allo stato eucromatinale, e quindi consente una migliore accessibilità ad altri fattori. L'acetilazione è associata all'attivazione della trascrizione ed è facilmente reversibile attraverso l'azione delle istone deacetilasi (HDAC).
La metilazione , a sua volta, può essere eseguita sia su lisina che su arginina e può consistere nell'aggiunta di uno, due o tre gruppi metilici.
A seconda dei residui metilati e del numero di gruppi aggiunti, è associato all'attivazione o alla repressione della trascrizione. A lungo considerata statica, la metilazione dell'istone si è dimostrata una modifica reversibile coinvolta in un processo dinamico, sebbene più stabile dell'acetilazione e della fosforilazione. È stato identificato un numero crescente di istoni demetilasi.
In generale, questi due tipi di modifiche sono antagoniste e la deacetilazione delle lisine deve precedere la loro metilazione. Questo antagonismo porta alla creazione di un certo equilibrio dinamico tra i territori dell'eterocromatina (generalmente non esprimibile e metilata su alcuni amminoacidi chiave) ed eucromatina (generalmente esprimibile e acetilata). Ad esempio, la lisina 9 dell'istone H3 è nota per essere associata alla repressione della cromatina circostante quando metilata. Questa metilazione è riconosciuta da una proteina, HP1, che quindi si lega all'H3 metilato. A sua volta, HP1 attrae la proteina Suv39, una metiltransferasi istone, che può metilare la lisina 9 dell'istone H3 del nucleosoma adiacente e così via. Possiamo quindi vedere come, passo dopo passo, gli istoni H3 verranno metilati e la cromatina sarà condensata. Tuttavia, questa invasione di eterocromatina verrà interrotta se l'H3 lisina 9 incontrata è già acetilata. Viene così stabilito un equilibrio competitivo tra i domini della cromatina espressa e repressa.
I cambiamenti nelle code degli istoni agiscono come "tag" epigenetici che risultano nel reclutamento di diverse classi di proteine, poiché le lisine acetilate o metilate sono riconosciute da domini proteici differenti. Inoltre, il reclutamento di alcuni fattori a livello di cromatina richiede la previa esistenza di modificazioni di istoni e proteine già legate. Il codice istonico viene quindi interpretato nel contesto di altri fattori associati alla cromatina ed è la combinazione dell'interazione tra gli istoni modificati e altri fattori che determina se una proteina viene reclutata per la cromatina.
In diverse specie eucariotiche, sono state scoperte varianti istoniche, chiamate anche istoni non canonici.
Queste varianti hanno una sequenza che differisce da quella degli istoni convenzionali solo su pochi residui (caso delle cosiddette varianti omeomorfe ), o su porzioni maggiori della proteina (caso di varianti eteromorfe ).
Le varianti istoniche svolgono un ruolo importante in diversi aspetti della biologia come la riparazione del DNA, l'organizzazione centromerica, l' inattivazione del cromosoma sessuale X e la condensazione specifica delle cellule dei gameti maschili.
Nel granchio ( Arabidopsis thaliana ) è sufficiente un solo istone (H2A.Z) per rendere questo taxon sensibile a variazioni di temperatura inferiori a 1 ° C. Questo istone modifica l'avvolgimento del DNA su se stesso e controlla quindi l'accesso al DNA di alcune molecole che inibiscono o attivano diverse dozzine di geni. Questo effetto “bio-termostato” sembra frequente in natura, perché si rileva anche nel lievito .
Gli istoni sono sostituiti da protamine , proteine ricche di arginina e cisteina .
La ricchezza in cisteina permette la formazione di un ponte disolfuro . Questa struttura protegge il DNA durante eventuali movimenti legati alla fecondazione .