بنية الكروماتين، وضع النووي، وفي نهاية المطاف الوصول إلى الحمض النووي لنسخ الجينات، يتم التحكم بها إلى حد كبير من قبل بروتينات الهيستون. كل نيوكليوسوم مصنوع من وحدتين فرعية متطابقة،كل منها يحتوي على أربعة هيستونات: H2A ، H2B ، H3 ، و H4. في الوقت نفسه ، يعمل بروتين H1 كهيستون ربط لتحقيق الاستقرار في الحمض النووي النووي وليس جزءًا من النووي النووي نفسه.
معًا، تشكل تعديلات الهيستون هذه ما يُعرف باسم رمز الهيستون، والذي يحدد الحالة النسخية للمنطقة الجينومية المحلية.فحص تعديلات الهيستون في منطقة معينة، أو في جميع أنحاء الجينوم، يمكن أن تكشف عن حالات تنشيط الجينات، ومواقع المروجين، والمعززين، وغيرها من العناصر المنظمة للجينات.
يعتبر الاستيلية أحد أكثر تعديلات الهيستون دراسة على نطاق واسع لأنه كان من أوائل ما اكتشف أنه يؤثر على تنظيم النسخ.بقايا الليزين غير المعدلة مشحونة إيجابيا ولكن النتائج الاستيلات في تحييد الشحنة على الهستونات، والذي يقلل من تفاعل الهيستونات و الحمض النووي المشحون سلبا. يؤدي تحييد الشحنة إلى هيستون أضعف: تفاعل الحمض النووي،يسمح بربط عامل النسخ ويزيد بشكل ملحوظ من التعبير الجيني (Roth et al، 2001).
يشارك استيل الهيستون في تنظيم دورة الخلايا ، وتكاثر الخلايا ، والانقراض وقد يلعب دورا حيويا في تنظيم العديد من العمليات الخلوية الأخرى ، بما في ذلك التمايز الخلوي ،تكرار الحمض النووي وإصلاحهيرتبط عدم التوازن في توازن استيل الهيستون بتطور الورم وتطور السرطان.
يتم إضافة الجماعات الأسيتيلية إلى بقايا الليزين من الهستونات H3 و H4 بواسطة هستونات أسيتيل ترانسفيراز (HAT) وإزالتها بواسطة الدياسيتيلاز (HDAC). يتم استهداف استهلاك الهستون بشكل كبير في المناطق المروجة ،والمعروفة باسم الاصطناع المحلي للمروجعلى سبيل المثال ، يرتبط استقيم K9 و K27 على الهستون H3 (H3K9ac و H3K27ac) عادةً بمعززين ومروجين للجينات النشطة.كما توجد مستويات منخفضة من الاستيلة العالمية في جميع الجينات المنسخة، وظيفتها لا تزال غير واضحة.
يتم إضافة الميثيل إلى بقايا الليزين أو الأرجينين من الهستونات H3 و H4 ، مع تأثيرات مختلفة على النسخ.و غيرها.، 2012) بينما يشارك تمثيل الليزين في كل من تنشيط النسخ والقمع اعتمادا على موقع الميثيل.ويمكن تفسير هذه المرونة بحقيقة أن هذا الميثيل لا يغير شحنة الهيستون أو يؤثر بشكل مباشر على تفاعلات الهيستون - الحمض النووي، على عكس الاستيتيل.
يمكن أن تكون الليزينات أحادية أو ثنائية أو ثلاثية الميثيل ، مما يوفر مزيدًا من التنوع الوظيفي لكل موقع من مواقع الميثيل. على سبيل المثال ،كل من الميثيلات الأحادية والثلاثية على K4 من الهستون H3 (H3K4me1 و H3K4me3) هي علامات تنشيط، ولكن مع الفروق الدقيقة الفريدة: H3K4me1 عادة ما يميز مكثفات النسخ ، في حين H3K4me3 يميز المروجين الجينات.التميثيل الثلاثي لـ K36 (H3K36me3) هو علامة تنشيط مرتبطة بالمناطق المنقولة في أجسام الجينات.
على النقيض من ذلك ، فإن التميثيل الثلاثي على K9 و K27 من الهستون H3 (H3K9me3 و H3K27me3) هي إشارات قمعية ذات وظائف فريدة:H3K27me3 هو إشارة مؤقتة في مناطق الترويج التي تتحكم في المنظمين التنمويين في الخلايا الجذعية الجنينية، بما في ذلك جينات هوكس وسوكس. في الوقت نفسه ، H3K9me3 هو إشارة دائمة لتشكيل heterochromatin في المناطق الكروموسومية الفقيرة الجينات مع هياكل تكرار التزامية ، مثل تكرار الأقمار الصناعية ،التيلوميرات، والبريكنتروميرات. كما أنها تميز الريبرو ترانسبوزونات وعائلات محددة من جينات أصابع الزنك (KRAB-ZFPs).مع H3K27me3 في المناطق المرموقة بين الجينات والتي تم إسكاتها و H3K9me3 بشكل رئيسي في المناطق المرموقة للجينات النشطة.
تنظيم الإنزيمات
تمثيل الهيستون علامة مستقرة تنتشر من خلال انقسام خلايا متعددة، و لسنوات عديدة كان يعتقد أنها لا رجعة فيها.تم اكتشافه مؤخراً بأنه عملية قابلة للتحكم بشكل نشط و قابلة للإنعكاس.
التميثيل: هيستون ميثيل ترانسفيراز (HMTs)
تحتوي على نطاق SET (ذيل الهيستون)
تحتوي على نطاقات غير SET (نواة الهيستون)
عائلة PRMT (البروتين الأرجينين ميثيل ترانسفيراز)
إزالة الميثيل: الهيستونات الديميثيليز
KDM1/LSD1 (الديميثيلاز 1 محدد لليسين)
JmjC (حوي نطاق Jumonji)
PAD4/PADI4
الفوسفوريلات الهيستونية هي خطوة متوسطة حاسمة في تكثيف الكروموسومات أثناء انقسام الخلايا ، وتنظيم النسخ ، وإصلاح تلف الحمض النووي (Rossetto et al. ، 2012 ، Kschonsak et al. ،2015)على عكس الاستيلات والميثيلات، فإن فوسفوريلات الهستونات تُنشئ تفاعلات بين تعديلات الهستونات الأخرى وتخدم كمنصة للبروتينات المؤثرة.والذي يؤدي إلى سلسلة من الأحداث.
يحدث الفوسفوريل على جميع الهيستونات الأساسية ، مع تأثيرات مختلفة على كل منها. الفوسفوريل الهيستون H3 في سيرين 10 و 28 ، والهيستون H2A على T120 ،تشارك في ضغط الكروماتين وتنظيم بنية الكروماتين ووظائفها خلال الانقسامهذه علامات مهمة على دورة الخلية ونمو الخلايا التي يتم الاحتفاظ بها في جميع أنحاء النوى النووية.الفوسفوريلات من H2AX في S139 (التي تؤدي إلى γH2AX) بمثابة نقطة تجنيد لبروتينات إصلاح تلف الحمض النووي (Lowndes et al.، 2005، بينتو وآخرون، 2010) وهي واحدة من أوائل الأحداث التي تحدث بعد كسر سلاسل الحمض النووي المزدوجة.لا يتم دراسة الفوسفوريلات H2B بشكل جيد ولكن تم العثور على تسهيل تكثيف الكروماتين المرتبط بالانقراض، تجزئة الحمض النووي، وموت الخلايا (Füllgrabe et al، 2010).
يمكن أن تكون جميع بروتينات نواة الهيستون متوفرة في كل مكان ، ولكن H2A و H2B هي الأكثر شيوعًا وهي اثنان من أكثر البروتينات توفرًا في كل مكان في النواة (Cao et al. ، 2012).تلعب إضافة الهيستون دوراً مركزياً في استجابة تلف الحمض النووي.
يتم العثور على monoubiquitylation من الهستونات H2A و H2B و H2AX في مواقع كسر سلاسل الحمض النووي المزدوجة. الأشكال الأكثر شيوعًا هي H2A monoubiquitylated على K119 و H2B على K123 (الخميرة) / K120 (الفقاريات).يرتبط H2A المتوحد أيضاً بإسكات الجينات، بينما يرتبط H2B أيضًا بتنشيط النسخ.
الـ"بولي أوبيكيتيل" أقل شيوعًا ولكنه مهم أيضًا في إصلاح الحمض النووي. إن الـ"بولي أوبيكيتيل" من الـ"H2A" و"H2AX" على الـ"ك63" يوفر موقعًا للتعرف على بروتينات إصلاح الحمض النووي، مثل الـ"راب80".
تنظيم الإنزيمات
مثل تعديلات الهستونات الأخرى ، فإن التكيف الأحادي لـ H2A و H2B قابل للإنعكاس ويتم تنظيمه بشكل صارم بواسطة رباطات هستون الـ ubiquitin و إنزيمات deubiquitylating.
الـ monoubiquitylation
تعديل الجودة
الجدول 1. ورقة غش لأكثر تعديلات الهيستون شيوعاأين تجدهم:
| تعديل الهيستون | الوظيفة | الموقع |
| H3K4me1 | التنشيط | المعززات |
| H3K4me3 | التنشيط | المروجين، المجالين الثنائيين |
| H3K36me3 | التنشيط | أجسام الجينات |
| H3K79me2 | التنشيط | أجسام الجينات |
| H3K9Ac | التنشيط | المعززين، المروجين |
| H3K27Ac | التنشيط | المعززين، المروجين |
| H4K16Ac | التنشيط | تسلسلات متكررة |
| H3K27me3 | القمع | المروجين في المناطق الغنية بالجينات، المنظمين التنمويين، المجالات الثنائية القيمة |
| H3K9me3 | القمع | تكرار الأقمار الصناعية، التيلوميرات، البريكنتروميرات |
| غاما H2A.X | تلف الحمض النووي | كسور الحمض النووي |
| H3S10P | تكرار الحمض النووي | الكروموسومات الميتوتية |
يستخدم ChIP الأجسام المضادة لعزل بروتين أو تعديل من الاهتمام ، جنبا إلى جنب مع الحمض النووي الذي يربط به (الشكل 5).يتم بعد ذلك تسلسل الحمض النووي ووضعها في خريطة الجينوم لتحديد موقع البروتين أو التعديل و وفرة.
الشكل 2: تعديل الهيستون CHIP
تتصل الأجسام المضادة مباشرة بذيلات الهيستون المعدلة. يسمح الإصابة بالمناعة وتنقية الحمض النووي بعزل وتحديد المناطق الجينية التي تحتل التعديلات.
استخدام الأجسام المضادة ضد الهيستونات المحددة وتعديلات الهيستون في تجارب ChIP يمكن أن تكشف عن المواقع المحددة
إذا كانت وظيفة تعديل الهيستون معروفة، يمكن لـ ChIP تحديد جينات ومناطق محددة مع توقيع تعديل الهيستون هذا والوظيفة المقابلة في جميع أنحاء الجينوم.هذه الجينات والمناطق يمكن بعد ذلك أن تتم فحصها أكثر من أجل دورها في العملية البيولوجية ذات الاهتماماستخدام CHIP ضد H3K4me1، على سبيل المثال، سوف يكشف عن مواقع وتسلسلات من المعززين النشطين في جميع أنحاء الجينوم، والإشارة إلى الجينات والبرامج الوراثية ذات الاهتمام.
بدلاً من ذلك، إذا لم تكن وظيفة تعديل الهيستون معروفة، يمكن لـ ChIP تحديد التسلسلات والجينات والمواقع مع هذا التوقيع،والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لاستنتاج وظيفة التعديلكانت هذه التقنية محورية في فك شفرة الكثير من شفرة الهيستون ولا تزال ذات قيمة في التأكد من وظيفة التعديلات التي تم اكتشافها حديثًا مثل الاكتشافات والعلامات الجديدة الأخرى.
يتم إضافة تعديلات الهيستون بشكل ديناميكي وإزالتها من بروتينات الهيستون بواسطة إنزيمات محددة (الجدول 2). يحدد التوازن بين هؤلاء الكتاب والمحطات علامات موجودة على الهيستونات,وعلى أي مستويات، للسيطرة في نهاية المطاف على ما إذا كانت البرامج الوراثية المحددة والعمليات الخلوية التي تهيئها، يتم تشغيلها أو إيقافها.
الجدول الثاني: الفئات الرئيسية للكتابة والمسحات:
| تعديل | الكتّاب | مُمسحات |
| الـ (اسيتيل) | الهيستونات الأسيتيل ترانسفيراز (HATs) | الهيستون دياسيتيلازيز (HDACs) |
| الميثيل | الهيستون ميثيل ترنسفيراز (HMTs/KMTs) والبروتين الأرجينين ميثيل ترنسفيراز (PRMTs) | الليزين الديميثيليز (KDMs) |
| الفوسفوريلات | الكينازات | الفوسفاتازات |
تحديد مسارات التعديل والكتاب والمسحات المحددة في اللعب يمكن أن يكشف:
بالنسبة لجهود تطوير الأدوية، يمكن بسهولة فحص المركبات لتأثيرها على نشاط الكاتب والمحذف.
بشكل عام، تحديات هيستون ميثيل ترانسفيراز (HMT) صعبة على تطوير، ومعظمها لديها عدة عيوب بسبب تصميم التحليل.3H-SAM كمانح ميثيل و S-adenosylhomocysteine مقياس (SAH) كمنتج ثانوي عام من تفاعل الميثيل.
تحل مقاييس نشاط Abcam HMT لهذه الصعوبات ، حيث تقيم نشاط HMTs المحددة مع الأجسام المضادة التي تكشف عن المنتج الميثيلي المحدد ، وتوفير:
مقاييس نشاط هستون ديميثيلاز عادة ما تقيس تكوين الفورمالدهايد، وهو منتج ثانوي من إزالة الميثيلا. لذلك فهي عرضة للتدخل من المنظفات،مجموعات ثيول ومجموعة من الأيوناتعلى غرار اختبارات الميثيلات، هذه الاختبارات ليست محددة لأي ديميثيلاز ويمكن إجراؤها فقط مع البروتين المطهر.
يلتف Abcam® مع اختبارات هيستون ديميثيلاز حول هذه القضايا عن طريق قياس تشكيل المنتج المثلي بشكل مباشر ، مما يوفر:
تقدم Abcam مجموعات لتحليل النشاط الكلي ، وكذلك H4 محددة ، HAT. هذه الاختبارات تقيس نقل مجموعة الأسيتيل من الجهة المانحة لأسيتيل CoA إلى الببتيدات الهستونية ،الذي ينتج الببتيد الاصلي و CoA-SHثم يتم قياس المنتج الثانوي لـ CoA-SH باستخدام طرق اللون أو الفلورومتر:
تنقسم بروتينات HDAC إلى أربع مجموعات رئيسية (الطبقة الأولى، والفئة الثانية، والفئة الثانية، والفئة الثالثة، والفئة الرابعة) بناءً على وظيفتها وتشابه تسلسل الحمض النووي.و IIB تعتبر HDACs " الكلاسيكية " التي يتم تثبيط نشاطها بواسطة تريكوستاتين A (TSA)، في حين أن الفئة الثالثة هي عائلة من NAD+- البروتينات المعتمدة (السيرتينات (SIRTs) التي لا تتأثر بـ TSA.
كل من هذه الفئات مرتبطة ببرامج خلائية مختلفة ويمكن تحليلها بشكل فردي مع مختلف الاختبارات الفلورومترية. على سبيل المثال،ترتبط SIRT عادة بالسرطان والأمراض العصبيةقد يشير الكشف عن نشاط SIRT أو تحديد الأدوية التي تؤثر على نشاط SIRT إلى استراتيجيات تشخيصية أو علاجية جديدة لهذه الأمراض.
تستخدم الاختبارات الفلورومتريكية رصيف الببتيد الاصليلي مع فلوروفور ومثبت في نهاياته الأمينية والكاربوكسيل. بمجرد أن يتم إزالة الاصليلي ، يمكن أن يتم تقسيمه بواسطة الببتيداز ،إطلاق الفلوروفور من المطفئالزيادة اللاحقة في شدة الفلوروسنت من الفلوروفور هي متناسبة مباشرة لنشاط الدياسيتيلاز.
يمكن أن يكون من المفيد تثبيط هذه الإنزيمات المعدلة باستخدام جزيئات صغيرة ومن ثم تقييم الآثار في الأسفل لتحقيق مشاركة الوظائف البيولوجية لتعديلات الهيستون.مثبطات الكاتبين والمحاطات هي أدوات حيوية لفهم أدوار مسارات التعديل الجينيكما أنها ضرورية للتحقق من صحة الأهداف المسموح بها في سياق الدراسات قبل السريرية في السياقين الأكاديمي والصناعي.
تعديلات الهيستون تنظم الخصائص الفيزيائية للكروماتين، وحالتها النسخية المقابلة،إما بشكل مباشر (على سبيل المثال مجموعات الأسيتيل التي تطرد الحمض النووي المشحون سلباً لخلق تشكيل الكروماتين المفتوح) أو عن طريق محولات البروتين تسمى المؤثرينالبروتينات المؤثرة تتعرف وتتصل بعلامات خاصة من الجينات، وبالتالي، تجند الآلات الجزيئية لتغيير هيكل الكروماتين.هذه القراءات الجينية تحدد النتيجة الوظيفية لتعديلات الهيستون من خلال ترجمة رمز الهيستون إلى العمل.
تتعرف بروتينات المؤثرات وتتصل بعلامات تعديل الهستونات من خلال مجالات المؤثرات ، والمعروفة باسم الوحدات (الجدول 3).
| وحدة ربط الهيستون أو وحدة تأثير | علامات هيستون معروفة |
| الكرومودومين | H3K4me2/3، H3K9me2/3، H3K27me2/3 |
| (تودور) | H3K4me3، H4K20me2 |
| الـ MBT | H3K4me1، H4K20me1/2، H1K26me1 |
| WD40 تكرار | R2/H3K4me2 |
| برومودومين | كاك |
| الدكتوراه | H3K4، H3K4me3، H3K9me3، K36me3 |
| 41701 | H3S10ph |
| BRCT | H2A.XS139 |
هذه الوحدات تتعرف على تعديلات هستونية محددة مع الأحماض الأمينية التي تغطي جيب ربط الوحدة.بقايا خارج هذا الجيب المربط (وخاصة في المواقف N + 2 و N-2) تملي التفاصيل عن بقايا الهيستون والأحماض الأمينية التي يتم تعديلها (على سبيل المثال H3K4 مقابل H4K20).
تتيح الاختلافات الطفيفة في المخلفات داخل أو خارج جيب الارتباط التعرف على علامات أبيجينية مماثلة. على سبيل المثال ، يمكن للبروتينات المؤثرة التمييز بين البروتينات الموحدة ،أو الحالات الثلاثية الميثيلية مع اختلافات طفيفة في هيكل الوحدة الميثيليةعلى سبيل المثال ، يمكن أن تربط نطاقات التودور حصراً بالليسينات الثنائية أو الثلاثية الميثيلية ، في حين يمكن أن تربط وحدات أصابع PHD بكل منهما ، أو فقط بالليسينات غير المعدلة (Ruthenburg et al. ، 2007).
غالبًا ما توجد وحدات متعددة لربط الهيستون في نفس البروتين و / أو مجمع البروتين ، مما يتيح التعرف على مجموعات محددة من تعديلات الهيستون.هذا يسمح لكود هيستون أكثر تعقيداحيث تتفاعل تعديلات الهيستون مع بعضها البعض بدلاً من تفسيرها بشكل منفصل.
التفاعل المتعدد من تعديلات الهستونات مهم للاعتراف بأنماط العلامة المنفصلة مع الخصوصية المركبة والعلاقة المحسنة.مع السماح أيضاً بالقيام بأعمال متنوعة ودقيقة في الأسفلعلى سبيل المثال، علامة إبجينيتيكية واحدة (مثل H3K4me3) قد تنشط نسخة الجينات في سياق واحد، ولكنها تقمعها في سياق آخر، اعتمادا على العلامات المحيطة.يظهر الجدول 4 أمثلة على بعض الجمعيات الوظيفية لمجموعات مختلفة من تعديلات الهيستون (Ruthenburg et al.، 2007).
الجدول الرابع: الارتباطات الوظيفية للتعديلات المشتركة بين الهيستون والحمض النووي:
| علامات الهيستون | حالة الكروماتين |
| H3K4me2/3 + H4K16ac | الجينات المثلية النشطة في النسخ |
| H3K4me2/3 + H3K9/14/18/23ac | الكروماتين النشط من الناحية الترسلية |
| H3S10ph + H3K14ac | النسخ المتحفز بالميتوجين |
| H3K4me3 + H3K27me3 | المجال الثنائي |
| H3K9me3 + H3K27me3 + 5mC | الحلقات الصامتة |
| H3K27me3 + H2AK119ub1 | الجينات الهوميوتية الصامتة |
| H3K9me3 + H4K20me3 + 5mC | هيتروكروماتين |
| H3K9me2/3 + H4K20me1+ H4K27me3 + 5mC | الكروموسوم X غير النشط |
قد تتفاعل وحدات المؤثرات المتعددة في البروتين أو المجمع مع تعديلات الهيستون على نفس الهيستونات و / أو النيوكليوسومات أو عبرها. يمكن تصنيف هذه التفاعلات على النحو التالي:
داخل النيوكليوسومالارتباط بنفس النيوكليوسوم
النووي النووي:الارتباط بالنيوكليوسومات المختلفة
بارسكي، أ.، كوداباه، س.، كوي، ك.، رو، تي.واي، شونز، دي.إي، وانغ، ز.، وي، غ.، تشيبيليف، إي، وزهاو، ك. تحليل عالي الدقة لميثيلات الهستونات في الجينوم البشري. الخلية 129،823-837 (2007).
كاو، جي. ويان، كيو. توبيكيتيناتيون الهيستون وتيوبيكيتيناتيون في النسخ، واستجابة تلف الحمض النووي، والسرطان. الجبهة. Oncol. 2، 26 (2012).
فولغريب، ج.، حججي، ن. وجوزيف، ب. كراكينغ رمز الموت: تعديلات الهستونات المتعلقة بالانقراض. موت الخلية مختلف. 17، 12381243 (2010).
غرير، إ. ل. وشي، ي. ميثيل الهستون: علامة ديناميكية في الصحة والمرض والوراثة. Nat. Rev. Genet. 13, 343 57 (2012).
كيم، ج. و كيم، ه. التوظيف والعواقب البيولوجية لتعديل الهيستون من H3K27me3 و H3K9me3. ILAR J. 53 (((3-4): 322-9 (2012).
كشونسك، إم. وهيرينغ، سي. إتش. تشكيل الكروموسومات الميتوتية: من المفاهيم الكلاسيكية إلى الآليات الجزيئية.
لووندز، N. F. & توه، G. W.-L. إصلاح الحمض النووي: أهمية الفوسفوريلات من الهيستون H2AX. Curr. Biol. 15، R99?? R102 (2005).
بينتو، دي. إم. إس. وفلوس، أ. هيكل ووظيفة الهيستون H2AX. الخلية الفرعية. الكيمياء الحيوية. 50، 5578.
روسيتو، د.، أففاكوموف، ن. وكوتي، ج. تصفير الهستون: تعديل الكروماتين المشارك في مختلف الأحداث النووية.
روث، S. Y.، دينو، J. M. & Allis، C. D. هيستون أسيتيل ترانسفيرازز. سنوي. Rev. كيمياء الحيوية. 70، 81 ٪ 120 (2001)
روثنبرغ، إيه جيه، لي، إتش، تافيرنا، إس دي، باتل، دي جيه وأليس، سي دي التفاعل المتعدد القيم في تعديلات الكروماتين بواسطة وحدات الارتباط المرتبطة. الطبيعة Rev. مول. الخلية البيولوجية. 8، (2007)
فويغ، بي، تي، دبليو، وراينبرغ، دي. نظرة مزدوجة على المروجين الثنائيين. جينات ديف. 27، 1318-1338 (2013).
