Skoraj dva metra DNK je spravljenih v jedru, ki meri le nekaj mikrometrov. Celice to rešujejo s histoni – majhnimi pozitivno nabitimi beljakovinami, ki delujejo kot tuljave. DNK se ovije okoli njih in tako nastanejo gosto urejene zanke. S tem se genetski material strne in ne zapleta.
Ta učni priročnik ti razloži, kako histoni tvorijo nukleosom, kako kemične spremembe vplivajo na dostop do DNK in kako se kromatin ohrani med podvojevanjem. Spoznal boš zgradbo kromatina, različice histonov in delovanje encimov, ki preurejajo njegovo strukturo.
Histoni – povzetek
Potrebuješ samo bistvo? Tukaj je preprosta razlaga kaj so histoni in zgradba kromatina:
🟠 Histoni so bazične beljakovine, bogate z lizinom in argininom. DNK se ovije okoli njih, da nastane kompaktna struktura kromatina.
🟠 Nukleosom nastane tako, da se približno 146 baznih parov DNK ovije okoli histonskega oktamera. Ta je sestavljen iz histonov H2A, H2B, H3 in H4.
🟠 Histon H1 deluje kot povezovalni histon med sosednjimi nukleosomi in pomaga oblikovati 30-nanometrsko vlakno kromatina.
🟠 Kemične spremembe histonov, kot sta acetilacija in metilacija, vplivajo na gostoto ovitja DNK in s tem določajo, kateri geni so dostopni za prepisovanje.
🟠 ATP-odvisni encimi za preurejanje kromatina, na primer kompleks SWI/SNF, premikajo ali odstranijo nukleosome in s tem uravnavajo dostop do DNK.
🟠 Med podvojevanjem DNK se histoni porazdelijo na novo s pomočjo proteinskih kompleksov, kot so CAF-1, NAP-1 in Asf1, da se ohrani zgradba kromatina.
🟠 Položaj nukleosomov vpliva na to, kako dostopna je DNK. Transkripcijski faktorji in preurejevalni encimi ustvarijo odprte regije pri aktivnih genih.
Kaj so histoni?
Histoni so majhne bazične beljakovine, ki jih najdemo v jedru. Vsebujejo veliko pozitivno nabitih aminokislin – predvsem lizina in arginina. Te vežejo negativno nabito DNK in omogočajo, da se ta tesno ovije okoli histonov. Tako nastane bolj zgoščena in urejena oblika DNK.
Prvi korak pri pakiranju DNK je nastanek nukleosoma. V tej enoti se DNK ovije okoli osmih histonov, ki skupaj sestavljajo tako imenovani histonski oktamer. Poseben histon, imenovan povezovalni histon, pa se veže na DNK med posameznimi nukleosomi in dodatno stabilizira celotno strukturo.
Jedrni histoni:
- H2A
- H2B
- H3
- H4
Vsak nukleosom vsebuje po dve kopiji vsakega izmed teh štirih histonov.
Povezovalni histon:
- H1
Histon H1 se veže na začetku in koncu nukleosoma, kjer DNK vstopa in izstopa. Omogoča dodatno zlaganje kromatina v bolj kompaktne strukture.
| Vrsta histona | Kopij v enem nukleosomu | Vloga | Mesto vezave na DNK |
| H2A, H2B | 2 vsakega | Jedrni histon | Oviti del DNK |
| H3, H4 | 2 vsakega | Jedrni histon | Oviti del DNK |
| H1 | 1 | Povezovalni histon | Med nukleosomi (vhod/izhod DNK) |
Kako histoni zložijo DNK v kromatin
Histoni poskrbijo, da se dolge verige DNK organizirajo v gosto zapakirane enote. Pakiranje se začne z nukleosomi in nadaljuje z višjimi stopnjami zlaganja, dokler DNK ni dovolj strnjena, da nastanejo kromosomi.
Vsak nukleosom nastane, ko se DNK ovije okoli histonskega oktamera. Pod mikroskopom nukleosomi delujejo kot kroglice na vrvici – vrvica je povezovalna DNK. Ta raven zlaganja se imenuje 10 nm vlakno in predstavlja prvo vidno stopnjo v zgradbi kromatina.
Nukleosomi se nato spiralno zvijejo v debelejše 30 nm vlakno. Po solenoidnem modelu se zgradijo v vijačnico, kjer ima histon H1 vlogo stabilizatorja. Veže se na točki, kjer DNK vstopi in izstopi iz nukleosoma, ter pomaga ohranjati zavito obliko.
30 nm vlakno se dodatno zloži v zanke, ki se pritrdijo na beljakovinski skelet. Te zanke omogočajo končno stopnjo zgoščevanja kromatina, kar pripravi DNK na mitozo. S tem se dolžina DNK močno skrajša – pakiranje zmanjša prostor, ki ga zaseda, za več tisočkrat.
Glavne stopnje zlaganja kromatina:
- 10 nm vlakno – veriga nukleosomov
- 30 nm vlakno – spiralna struktura s histonom H1
- Zanke in skelet – zložene domene kromatina
Zgradba nukleosoma
Nukleosom sestavlja 146 baznih parov DNK, ovitih 1,67-krat okoli histonskega oktamera. Oktamer ima po dve kopiji vsakega izmed histonov H2A, H2B, H3 in H4.
Histoni imajo posebno strukturo, imenovano histonska zanka, ki je sestavljena iz treh alfa-vijačnic, ločenih z zankami. Ta zgradba jim omogoča, da se najprej združijo v dvojice in nato v štiričlenske enote. H3 in H4 najprej tvorita tetramer, nato pa se na vsako stran povežeta po en dimer H2A-H2B, da nastane popoln oktamer.
DNK se z oktamerom povezuje preko ionskih in vodikovih vezi. Te vezi so dovolj močne, da DNK obdržijo na mestu, a dovolj prilagodljive, da se DNK lahko sprosti med transkripcijo ali podvojevanjem.
Različice histonov in njihov vpliv na kromatin
Vsi histoni niso enaki. Nekateri imajo rahlo spremenjeno zgradbo – tem pravimo različice histonov. Te beljakovine nadomestijo običajne histone na določenih mestih v genomski DNK in s tem vplivajo na obnašanje kromatina.
Največ raziskav je opravljenih na različicah histonov H2A in H3. H2A.Z na primer naredi kromatin bolj gibljiv, medtem ko macroH2A pomaga ustvarjati bolj kompaktna območja v nedejavnih regijah. H2AX se pojavi na mestih poškodb DNK in privablja popravljalne encime. Pri H3 se H3.3 nahaja v aktivnih genih, medtem ko CENP-A nadomesti H3 na centromerah in omogoča razporeditev kromosomov med celično delitvijo.
Različice ne spremenijo zaporedja DNK, temveč vplivajo na to, kako tesno je DNK ovita. Nekatere jo sprostijo in omogočijo dostop za transkripcijo, druge pa stabilizirajo strukturo v nedejavnih ali podvojenih območjih.
Vgradnjo histonskih različic usmerjajo posebni encimi, ki jih aktivirajo signali v celici. Zaradi njih niso vsi nukleosomi enaki. Ta dodatna plast nadzora omogoča bolj natančno uravnavanje genov glede na potrebe celice in trenutne razmere.
Kemijske spremembe histonov in preoblikovanje kromatina
Histoni se lahko kemično spremenijo, kar vpliva na to, kako tesno je DNK ovita okoli njih. Tako celica določa, kateri deli DNK so dostopni za procese, kot so prepisovanje ali podvojevanje.
Večina teh sprememb poteka na repkih histonov, ki štrlijo iz nukleosoma. Spremembe ne vplivajo neposredno na zaporedje DNK, ampak na povezave med DNK in beljakovinami ter na stopnjo zgoščenosti kromatina.
Vrste sprememb histonov:
- Acetilacija – dodajo jo histonske acetiltransferaze (HAT)
- Deacetilacija – odstranijo jo histonske deacetilaze (HDAC)
- Metilacija – katalizirajo jo metiltransferaze
- Fosforilacija – prisotna med celično delitvijo ali popravilom DNK
- Ubikvitinacija – dodajanje majhnih beljakovin, ki spremenijo delovanje histona
Acetilacija zmanjša pozitiven naboj histonov in oslabi njihovo vezavo na DNK, zato je kromatin bolj sproščen. Deacetilacija ponovno okrepi vezavo in DNK postane manj dostopna. Metilacija ima lahko različen učinek – odvisen je od mesta in števila metilnih skupin. Fosforilacija spremeni strukturo kromatina med mitozo, ubikvitinacija pa lahko sproži odstranjevanje histonov ali spremeni njihovo vlogo.
Te oznake so reverzibilne. Encimi jih dodajajo ali odstranjujejo glede na signale znotraj celice.
Pogoste kombinacije sprememb:
| Aktivne oznake | Represivne oznake |
| H3K9ac | H3K27me3 |
| H3K4me3 | H3K9me3 |
Vsaka oznaka označuje specifično stanje kromatina. Te kemične oznake usmerjajo procese, kot so transkripcija, replikacija ali popravilo DNK.
Preoblikovanje kromatina z ATP
Celice imajo posebne proteinske komplekse, ki lahko spreminjajo razporeditev histonov na DNK. Tem kompleksom pravimo preoblikovalci kromatina. Za svoje delovanje porabljajo energijo iz ATP.
Najbolj znani so kompleksi SWI/SNF, ISWI in CHD. Delujejo različno, vendar imajo vsi enak cilj – prilagoditi, kako tesno se DNK ovije okoli histonov.
Z njihovo pomočjo celica odpre ali zapre dostop do določenih genov. Če histoni prekrivajo začetno regijo gena, transkripcija ne steče. Ko se ta del sprosti, se lahko prepisovanje začne.
Preoblikovanje kromatina se dogaja ves čas. Celica s tem ohranja nadzor nad izražanjem genov v različnih pogojih in v različnih celičnih stanjih.
Sestavljanje in recikliranje histonov med podvojevanjem DNK
Med podvojevanjem DNK se histoni začasno odstranijo in nato znova vgradijo, da se kromatin za replikacijskimi vilicami ponovno vzpostavi. Tako DNK ostane kompaktna in urejena tudi po sintezi nove verige.
Histona H3 in H4 ostaneta skupaj kot tetramer, ki se naključno porazdeli med obe novi verigi DNK. H2A in H2B pa se večinoma zamenjata z novo sintetiziranimi dimeri.
Pri tem procesu sodeluje več beljakovin: CAF-1 nalaga H3 in H4 na novo DNK, NAP-1 vgrajuje histona H2A in H2B, Asf1 pa veže sveže H3 in H4 pred vgradnjo v kromatin.
Stari histoni vsebujejo obstoječe kemične oznake, ki usmerjajo encime, da enake oznake dodajo tudi novim histonom.
Ponovna sestava nukleosomov pri replikacijskih vilicah
Med podvojevanjem se stari histoni prenašajo na hčerinski verigi. Novi histoni nadomestijo tiste, ki so bili izgubljeni. Tako se kromatinska zgradba hitro obnovi, vključno s kemičnimi oznakami, in ostane enaka kot pred replikacijo.
Položaj nukleosomov in dostopnost DNK
Nukleosomi so nameščeni na določenih mestih vzdolž DNK, kar vpliva na dostopnost posameznih genov. Nekateri odseki ostajajo odprti za transkripcijo, drugi pa so blokirani zaradi gosto pakiranih histonov.
Položaj nukleosoma določa več dejavnikov:
- Zaporedje DNK vpliva na vezavo histonov
- Različice histonov spremenijo ovijanje DNK
- Preoblikovalni encimi lahko premikajo nukleosome
- Transkripcijski faktorji odstranijo histone s tarčnih mest
Na aktivnih začetkih genov pogosto najdemo območja brez nukleosomov. Ta območja omogočajo neoviran dostop do DNK in s tem začetek transkripcije. Obmejni nukleosomi na teh regijah so natančno nameščeni in pogosto vsebujejo posebne histonske različice.
Oviti deli DNK niso vedno povsem zaprti. DNK se lahko za kratek čas rahlo odvije – pojav, imenovan “dihanje DNK”. V teh trenutkih lahko encimi dostopajo do zapisa brez odstranitve histona.
Mehanizmi in označevalci, ki vplivajo na strukturo kromatina:
- CTCF deluje kot mejnik in usmerja postavitev sosednjih nukleosomov
- Preoblikovalna kompleksa SWI/SNF in INO80 premikata nukleosome
- Pogosto zamenjevanje histonov ohranja DNK prožno za izražanje genov
Ta dinamična struktura določa, kateri geni bodo aktivni in kdaj.
Histonski šaperoni in stabilnost nukleosomov
Histonski šaperoni stabilizirajo nukleosome in usmerjajo histone na ustrezna mesta med pakiranjem DNK. Te beljakovine preprečijo nenadzorovano združevanje histonov in omogočajo njihovo pravilno vgradnjo v kromatin.
Nekateri šaperoni delujejo med transkripcijo ali popravilom DNK, drugi pa sodelujejo med replikacijo. FACT (Facilitates Chromatin Transcription) začasno razstavi in ponovno sestavi nukleosome, da lahko RNA polimeraza preide mimo. Nukleoplazmin v jajčnih celicah shranjuje histone in sodeluje pri sestavi kromatina po oploditvi.
Šaperoni uravnavajo ravnovesje med prostimi in vezanimi histoni ter preprečujejo stres v jedru. Spremljajo lahko histone z določenimi oznakami in ohranjajo epigenetska stanja skozi celični cikel. Skupaj z vgradnimi faktorji, kot sta CAF-1 in NAP-1, zagotavljajo natančno, usklajeno pakiranje DNK, zlasti med celično delitvijo ali v primeru poškodb DNK.
Z zasebnim inštruktorjem o histonih in kromatinu
Pri histonih gre hitro kaj narobe. Eno minuto še bereš o DNK, naslednjo pa si že pri tem, kolikokrat se ovije okoli histonskega oktamera. Če dodaš še modifikacije, od ATP odvisno preoblikovanje in podvojevanje, hitro obstaneš. Pri razumevanju snovi ti lahko pomaga inštruktor molekularne biologije.
Z inštrukcijami lahko snov predelaš počasi in sistematično. Inštruktor ti razloži, kaj pomeni H3K27me3, kaj počne povezovalni histon, ali kako se CAF-1 vključi med replikacijo. Če se učiš za maturo ali opravljaš končni izpit iz srednješolske ravni, je pogovor z zasebnim učiteljem pogosto bolj jasen kot samostojno branje.
Inštruktorja najdeš blizu sebe – poskusi z iskanjem “inštrukcije biologije Celje” ali “inštruktor molekularne biologije Kranj”. Spletne ure z izkušenim učiteljem ti omogočajo, da vprašaš kar koli, se ustaviš, ko je treba, in se vrneš na snov, ki ti ni jasna.
Če ti trenutno struktura histonov ali zgradba kromatina deluje preveč zapleteno, si v dobri družbi. Rezerviraj uro na meet’n’learn z nekom, ki snov razume, in gresta lahko skupaj čez stvari. Tako bodo detajli hitreje jasni – in tudi ostali v spominu.
Potrebujete dodatne razlage? Oglejte si naše spletne učbenike za biologijo. Če rabiš dodatno pomoč, ti lahko inštruktor potrpežljivo razloži tudi najtežje poglavje.
Histoni – najpogostejša vprašanja
1. Kaj je histon?
Histon je bazična beljakovina, ki se veže na DNK in jo organizira v zgradbo, imenovano kromatin.
2. Katere vrste histonov poznamo?
Glavne vrste so H2A, H2B, H3 in H4 (jedrni histoni) ter H1 (povezovalni histon).
3. Kaj je nukleosom?
Nukleosom je enota kromatina, kjer se DNK ovije okoli osmih jedrnih histonov.
4. Kako se histoni vežejo na DNK?
Histoni imajo pozitivno nabite aminokisline, kot sta lizin in arginin, ki se vežejo na negativno nabito DNK.
5. Kaj počne povezovalni histon H1?
Histon H1 stabilizira DNK med nukleosomi in omogoča višje ravni zlaganja kromatina.
6. Katere so pogoste kemične spremembe histonov?
Najpogostejše so acetilacija, metilacija, fosforilacija in ubikvitinacija.
7. Kaj pomeni ATP-odvisno preoblikovanje kromatina?
To je proces, kjer encimi z energijo ATP premikajo ali preoblikujejo nukleosome.
8. Kako položaj nukleosomov vpliva na dostopnost DNK?
Položaj določa, ali imajo encimi in transkripcijski faktorji prost dostop do posameznih delov DNK.
Viri:
1. Cell
2. Britannica
3. Wikipedia
