Ιστόνες

Ιστόνες αποτελούν μέρος των πυρήνων των κυττάρων. Η παρουσία τους είναι ένα διακριτικό χαρακτηριστικό μεταξύ μονοκυτταρικών οργανισμών (βακτηρίων) και πολυκυτταρικών οργανισμών (ανθρώπων, ζώων ή φυτών). Πολύ λίγα βακτηριακά στελέχη έχουν πρωτεΐνες παρόμοιες με τις ιστόνες. Η εξέλιξη επέφερε ιστόνες προκειμένου να φιλοξενήσει την πολύ μακρά αλυσίδα DNA, επίσης γνωστή ως γενετικό υλικό, καλύτερα και πιο αποτελεσματικά στα κύτταρα ανώτερων ζωντανών όντων. Επειδή εάν το ανθρώπινο γονιδίωμα ήταν ξετυλιγμένο, θα είχε μήκος περίπου 1-2 m, ανάλογα με το στάδιο του κυττάρου στο οποίο είναι ένα κύτταρο.

Τι είναι οι ιστόνες;

Σε πιο ανεπτυγμένα έμβια όντα, οι ιστόνες εμφανίζονται στους κυτταρικούς πυρήνες και έχουν υψηλό ποσοστό θετικά φορτισμένων αμινοξέων (ειδικά λυσίνη και αργινίνη). Οι πρωτεΐνες της ιστόνης χωρίζονται σε πέντε κύριες ομάδες - H1, H2A, H2B, H3 και H4. Οι αλληλουχίες αμινοξέων των τεσσάρων ομάδων Η2Α, Η2Β, Η3 και Η4 διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ διαφορετικών ζωντανών όντων, ενώ υπάρχουν περισσότερες διαφορές για το Η1, μια συνδετική ιστόνη. Στην περίπτωση των ερυθρών αιμοσφαιρίων πουλιών που περιέχουν τον πυρήνα, το H1 έχει αντικατασταθεί ακόμη και από μια άλλη κύρια ομάδα ιστόνης, που ονομάζεται H5.

Η μεγάλη ομοιότητα των αλληλουχιών στις περισσότερες πρωτεΐνες ιστόνης σημαίνει ότι στους περισσότερους οργανισμούς η «συσκευασία» του DNA συμβαίνει με τον ίδιο τρόπο και η προκύπτουσα τρισδιάστατη δομή είναι εξίσου αποτελεσματική για τη λειτουργία των ιστονών. Κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, η ανάπτυξη των ιστονών πρέπει να έχει συμβεί πολύ νωρίς και πρέπει να διατηρηθεί πριν από την εμφάνιση των θηλαστικών ή των ανθρώπων.

Ανατομία & δομή

Μόλις σχηματιστεί μια νέα αλυσίδα DNA από μεμονωμένες βάσεις (που ονομάζονται νουκλεοτίδια) σε ένα κύτταρο, πρέπει να "συσκευαστεί". Γι 'αυτό, οι πρωτεΐνες ιστόνης διμερίζονται, οι οποίες στη συνέχεια καθεμία σχηματίζει δύο τετραμερή. Τέλος, ένας πυρήνας ιστόνης αποτελείται από δύο τετραμερή, το οκταμερές ιστόνης, γύρω από το οποίο τυλίγεται ο κλώνος DNA και διεισδύει εν μέρει. Το οκταμερές ιστόνης βρίσκεται τώρα στην τρισδιάστατη δομή εντός του στριμμένου κλώνου DNA.

Οι οκτώ πρωτεΐνες ιστόνης με το DNA γύρω τους σχηματίζουν ολόκληρο το σύμπλεγμα ενός νουκλεοσώματος. Η περιοχή του DNA μεταξύ δύο νουκλεοσωμάτων ονομάζεται συνδετικό DNA και περιλαμβάνει περίπου 20-80 νουκλεοτίδια. Το Linker DNA είναι υπεύθυνο για την "είσοδο" και την "έξοδο" του DNA στο οκταμερές ιστόνης. Ένα νουκλεοσώμα αποτελείται επομένως από περίπου 146 νουκλεοτίδια, ένα συνδετικό ϋΝΑ συστατικό και οκτώ πρωτεΐνες ιστόνης, έτσι ώστε τα 146 νουκλεοτίδια να τυλίγουν 1,65 φορές γύρω από το οκταμερές ιστόνης.

Επιπλέον, κάθε νουκλεοσώμα συνδέεται με ένα μόριο Η1, έτσι ώστε τα σημεία εισόδου και εξόδου του DNA να συγκρατούνται μαζί από την ιστόνη σύνδεσης και να αυξάνεται η συμπαγής του DNA. Ένα νουκλεοσώμα έχει διάμετρο περίπου 10-30 nm. Πολλά νουκλεοσώματα σχηματίζουν χρωματίνη, μια μακρά αλυσίδα DNA-ιστόνης που μοιάζει με μια σειρά από μαργαριτάρια κάτω από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Τα νουκλεοσώματα είναι τα "μαργαριτάρια" που περιβάλλονται ή συνδέονται από το DNA που μοιάζει με χορδές.

Ένας αριθμός πρωτεϊνών μη-ιστόνης υποστηρίζουν το σχηματισμό των μεμονωμένων νουκλεοσωμάτων ή εκείνων ολόκληρης της χρωματίνης, η οποία τελικά σχηματίζει τα μεμονωμένα χρωμοσώματα όταν ένα κύτταρο πρόκειται να διαιρεθεί. Τα χρωμοσώματα είναι ο μέγιστος τύπος συμπίεσης της χρωματίνης και μπορούν να αναγνωριστούν με μικροσκοπία φωτός κατά τη διαίρεση του πυρήνα ενός κυττάρου.

Λειτουργία & εργασίες

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι ιστόνες είναι βασικές πρωτεΐνες με θετικό φορτίο, επομένως αλληλεπιδρούν με το αρνητικά φορτισμένο DNA μέσω ηλεκτροστατικής έλξης. Το DNA "τυλίγεται" γύρω από τα οκταμερή ιστόνης έτσι ώστε το DNA να γίνει πιο συμπαγές και να ταιριάζει στον πυρήνα κάθε κυττάρου. Το Η1 έχει τη λειτουργία της συμπίεσης της δομής χρωματίνης υψηλότερου επιπέδου και κυρίως αποτρέπει τη μεταγραφή και συνεπώς τη μετάφραση, δηλαδή τη μετάφραση αυτού του τμήματος DNA σε πρωτεΐνες μέσω ενός mRNA.

Ανάλογα με το εάν το κελί «ακουμπά» (ενδιάμεση φάση) ή διαιρείται, η χρωματίνη συμπυκνώνεται λιγότερο ή περισσότερο έντονα, δηλ. Συσκευάζεται. Στην ενδιάμεση φάση, μεγάλα μέρη της χρωματίνης συμπυκνώνονται λιγότερο και μπορούν επομένως να μεταγραφούν σε mRNA, δηλαδή να διαβαστούν και να μεταφραστούν αργότερα σε πρωτεΐνες. Οι ιστόνες ρυθμίζουν τη γονιδιακή δραστηριότητα μεμονωμένων γονιδίων στην περιοχή τους και επιτρέπουν τη μεταγραφή και τη δημιουργία κλώνων mRNA.

Όταν ένα κύτταρο αρχίζει να διαιρείται, το DNA δεν μεταφράζεται σε πρωτεΐνες, αλλά κατανέμεται ομοιόμορφα μεταξύ των δύο θυγατρικών κυττάρων που δημιουργούνται. Η χρωματίνη συνεπώς συμπυκνώνεται έντονα και επιπλέον σταθεροποιείται από τις ιστόνες. Τα χρωμοσώματα γίνονται ορατά και μπορούν να διανεμηθούν στα νεοεμφανιζόμενα κύτταρα με τη βοήθεια πολλών άλλων πρωτεϊνών χωρίς ιστόνη.

Ασθένειες

Οι ιστοτόνες είναι απαραίτητες για τη δημιουργία ενός νέου ζωντανού όντος. Εάν, λόγω μεταλλάξεων στα γονίδια ιστόνης, μία ή περισσότερες από τις πρωτεΐνες ιστόνης δεν μπορούν να σχηματιστούν, αυτός ο οργανισμός δεν είναι βιώσιμος και η περαιτέρω ανάπτυξη διακόπτεται πρόωρα. Αυτό οφείλεται κυρίως στην υψηλή διατήρηση αλληλουχίας ιστονών.

Ωστόσο, είναι γνωστό εδώ και αρκετό καιρό ότι μεταλλάξεις στα διάφορα γονίδια ιστόνης των καρκινικών κυττάρων μπορεί να εμφανιστούν σε παιδιά και ενήλικες με διάφορους κακοήθεις όγκους του εγκεφάλου. Οι μεταλλάξεις στα γονίδια ιστόνης έχουν περιγραφεί ειδικά στα λεγόμενα γλοιώματα. Επιμήκεις ουρές χρωμοσωμάτων ανακαλύφθηκαν επίσης σε αυτούς τους όγκους. Αυτά τα τελικά τμήματα των χρωμοσωμάτων, που ονομάζονται τελομερή, είναι συνήθως υπεύθυνα για τη μακροζωία των χρωμοσωμάτων. Σε αυτό το πλαίσιο, φαίνεται ότι τα επιμήκη τελομερή στους όγκους με μεταλλάξεις ιστόνης δίνουν σε αυτά τα εκφυλισμένα κύτταρα ένα πλεονέκτημα επιβίωσης.

Εν τω μεταξύ, είναι γνωστοί άλλοι τύποι καρκίνου που έχουν μεταλλάξεις στα διάφορα γονίδια ιστόνης και επομένως παράγουν μεταλλαγμένες πρωτεΐνες ιστόνης που δεν εκτελούν ή δεν εκτελούν καθόλου τα ρυθμιστικά τους καθήκοντα. Αυτά τα ευρήματα χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για την ανάπτυξη μορφών θεραπείας για ιδιαίτερα κακοήθεις και επιθετικούς όγκους.