HISTONES: CARACTERÍSTIQUES, ESTRUCTURA, TIPUS I FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

Les histones són proteïnes bàsiques que interactuen amb l'ADN per a la formació dels nucleosomes, que conformen els brins de cromatina constituents dels cromosomes en els organismes eucariotes.

Els nucleosomes, complexos formats per ADN i proteïnes, van ser descoberts en 1974 i són les histones què s'acoblen aquest nivell basal d'organització de la cromatina. No obstant això, l'existència de les proteïnes histones se sap des d'abans de la dècada dels 60.

Representació gràfica d'un nucleosoma amb un centre octamérico d'histones i ADN enrotllat al seu voltant (Font: Jawahar Swaminathan and MSD staff at the European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)

Les histones estan organitzades de tal manera que l'ADN doble banda s'enrotlla al voltant d'un centre proteic format per aquestes proteïnes que interactuen properament unes amb les altres. El centre d'histones té forma de disc i l'ADN dóna més o menys 1.7 voltes al seu voltant.

Múltiples ponts d'hidrogen permeten la unió de l'ADN a centre proteic format per les histones en cada nucleosoma. Aquests enllaços es formen, majoritàriament, entre els esquelets aminoacídics de les histones i l'esquelet sucre-fosfat de l'ADN. També participen algunes interaccions hidrofòbiques i enllaços iònics.

Proteïnes conegudes com a "complexos remodeladors de cromatina" són les responsables de la ruptura i la formació dels enllaços d'unió entre ADN i histones, permetent l'ingrés de la maquinària transcripcional cap al ADN contingut en els nucleosomes.

Tot i la proximitat dels àcids nucleics amb el centre proteic format per les histones, aquestes estan disposades de tal manera que, en cas de ser necessari, permeten l'entrada de factors de transcripció i altres proteïnes relacionades amb l'expressió o el silenciament genètic.

Les histones poden patir diverses modificacions que generen múltiples variants, fent possible l'existència de moltes formes de cromatina diferents que tenen la propietat de modular de diferents formes l'expressió genètica.

Característiques

Són de les proteïnes eucariotes més conservades en la naturalesa. S'ha demostrat, per exemple, que la histona H4 de l'pèsol difereix en només dues de les 102 posicions aminoacídiques de la proteïna H4 de vaca.

Les histones són proteïnes relativament petites, amb no més de 140 aminoàcids. Són riques en residus aminoacídics bàsics, de manera que tenen una càrrega neta positiva, el que contribueix a la seva interacció amb l'àcid nucleic, de càrrega negativa, per formar els nucleosomes.

Es coneixen histones nucleosomals i d'unió o pont. Les histones nucleosomals són H3, H4, H2A i H2B, mentre que les histones d'unió pertanyen a la família de les histones H1.

Durant l'acoblament de l'nucleosoma es formen inicialment els dímers específics H3-H4 i H2A-H2B. Dos dímers H3-H4 s'uneixen després per formar tetràmers que posteriorment es combinen amb els dímers H2A-H2B, formant el centre octamérico.

Totes les histones són sintetitzades principalment durant la fase S de l'cicle cel·lular, i els nucleosomes són acoblats en les hèlixs d'ADN naixents, just després de la forquilla de replicació.

estructura

L'estructura general de les histones inclou una regió aminoacídica bàsica i una regió carboxil globular summament conservada entre els organismes eucariotes.

Un motiu estructural conegut com "plec d'histones", compost per tres hèlixs alfa connectades per dues forquetes i que conformen un petit centre hidrofòbic, és el responsable de les interaccions proteïna-proteïna entre les histones que formen el nucleosoma.

És aquest plec de histones el que conforma el domini carboxil globular d'aquestes proteïnes nucleosomals en tots els eucariotes.

Les histones també tenen petites "cues" o regions amino-terminals i altres carboxil-terminals (accessibles a proteases), de no més de 40 aminoàcids de longitud. Les dues regions són riques en aminoàcids bàsics que poden patir múltiples modificacions covalents postraduccionals.

Histones d'unió

En els eucariotes existeixen dues famílies d'histones d'unió, diferenciades entre si per la seva estructura. Unes tenen una estructura tripartida, amb el domini globular descrit anteriorment flanquejat per uns dominis N- i C-terminals "no estructurats"; mentre que altres només tenen un domini C-terminal.

Tot i que la major part de les histones es conserven, durant l'embriogènesi o la maduració de les cèl·lules especialitzades en alguns organismes poden sorgir algunes variants específiques. Algunes variacions estructurals tenen a veure amb modificacions postraduccionals com les que segueixen:

- Fosforilació: es pensa que està relacionada amb la modificació de l'grau de condensació de la cromatina i es dóna comunament en residus de serina.

- Acetilació: associada amb les regions cromosòmiques que són transcripcionalment actives. Ocorre normalment en les cadenes laterals dels residus de lisina. A l'ocórrer sobre aquests residus disminueix la càrrega positiva dels mateixos, disminuint amb això l'afinitat de les proteïnes per l'ADN.

- Metilació: pot donar-se com mono-, di- o tri- metilació dels residus de lisina que sobresurten de l'nucli proteic.

Enzims específics s'encarreguen de realitzar aquestes modificacions covalents en les histones. Entre aquests enzims s'inclouen les histona-acetil transferases (hats), els complexos histona-deacetilases (HDACs), i les histona-metiltransferasas i demetilasas.

tipus

La caracterització de les histones ha estat realitzada per diverses tècniques bioquímiques, entre les que destaquen les cromatografies que es basen en resines d'intercanvi catiònic feble.

Certs autors estableixen una forma de classificació en què es distingeixen 5 tipus principals d'histones en els eucariotes: FI, amb proteïnes de 21 kDa; F2A1 o FIV, de més o menys 11.3 kDa; F2A2 o FIIbI, 14.5 kDa; F2B o FIIb2, amb un pes molecular de 13.7 kDa, i F3 o FIII, de 15.3 kDa.

Tots aquests tipus de histones, amb l'excepció del grup de les FI, es troben en quantitats equimolars a la cèl·lules.

Una altra classificació, amb la mateixa validesa i potser la més emprada en l'actualitat, proposa l'existència de dos tipus d'histones diferents, a saber: les que formen part de l'octàmer d'el nucleosoma i les histones d'unió o pont, que uneixen els nucleosomes entre si.

Algunes variants poden donar-se també entre espècies ia diferència de les histones de nucli, les variants són sintetitzades durant la interfase i són inserides en la cromatina preformada a través d'un procés dependent de l'energia alliberada de la hidròlisi de l'ATP.

histones nucleosomals

El centre d'un nucleosoma consisteix en un parell de cadascuna de les quatre histones constituents: H2a, H2b, H3 i H4; sobre les quals s'enrotllen segments d'ADN d'al voltant de 145 parells de bases.

Les histones H4 i H2B són, en principi, invariables. Algunes variacions són evidents, però, en les histones H3 i H2A, les propietats biofísiques i bioquímiques alteren la naturalesa normal de l'nucleosoma.

Una variant de la histona H2A en humans, la proteïna H2A.Z posseeix una gran regió acídica i pot afavorir l'estabilitat de l'nucleosoma depenent de les variants de la histona H3 amb les que s'associï.

Aquestes histones mostren certa variabilitat entre espècies, sent un cas especial el de la histona H2B, per a la qual el primer terç de la molècula és altament variable.

Histones d'unió

Les histones d'unió o de pont són les histones de la classe H1. Aquestes són les responsables de la unió entre nucleosomes i de la protecció de l'ADN que sobresurt en a el començament i a la fi de cada partícula.

A diferència de les histones nucleosomals, no totes les histones de tipus H1 posseeixen la regió globular del "plec" d'histones. Aquestes proteïnes s'uneixen a l'ADN entre nucleosomes, facilitant un canvi en l'equilibri de la cromatina cap a un estat més condensat i menys actiu, transcripcionalment parlant.

Estudis han relacionat aquestes histones amb l'envelliment, reparació de l'ADN i processos apoptòtics, per la qual cosa es pensa que les mateixes tenen un paper crucial en el manteniment de la integritat genòmica.

funcions

Tots els residus aminoacídics de les histones participen, d'una o altra manera, en la seva interacció amb l'ADN, el que explica el fet que les mateixes estiguin tan conservades entre els regnes d'organismes eucariotes.

La participació de les histones en l'empaquetat de l'ADN en forma de cromatina és de gran rellevància per als organismes multicel·lulars complexos en què els diferents llinatges cel·lulars poden especialitzar-se tan sols canviant l'accessibilitat dels seus gens a la maquinària transcripcional.

Les regions genòmiques transcripcionalment actives són denses en nucleosomes, el que suggereix que l'associació de l'ADN amb les proteïnes histones és crucial per a la regulació negativa o positiva de la seva transcripció.

Així mateix, al llarg de la vida d'una cèl·lula la resposta a gran nombre d'estímuls, tant interns com externs, depèn de petits canvis en la cromatina, que normalment tenen a veure amb remodelació i modificació postraduccional de les histones que es troben en estreta relació amb l'ADN.

Múltiples variables de les histones exerceixen diferents funcions en els eucariotes. Una d'elles té a veure amb la participació d'una variant de la histona H3 en la formació de les estructures centroméricas responsables de la segregació dels cromosomes durant la mitosi.

S'ha demostrat que la contrapart d'aquesta proteïna en altres eucariotes és essencial per a l'acoblament de l'cinetocor proteic a el qual s'uneixen els microtúbuls de l'fus durant la mitosi i la meiosi.

referències

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2015). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). New York: Garland Science.
2. Camps, EI, & Reinberg, D. (2009). Histones: Annotating Chromatin. Annu. Rev. Genet., 43, 559-599.
3. Harvey, AC, & Downs, JA (2004). What functions do linker histones provide? Molecular Microbiology, 53, 771-775.
4. Henikoff, S., & Ahmad, K. (2005). Assembly of Variant histones into Chromatin. Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 21, 133-153.
5. Isenberg, I. (1979). Histones. Annu. Rev. Biochem., 48, 159-191.
6. Kornberg, RD, & Thomas, JO (1974). Chromatin Structure: Oligomers of the histones. Science, 184 (4139), 865-868.
7. Smith, E., DeLange, R., & Bonner, J. (1970). Chemistry and Biology of the histones. Physiological Reviews, 50 (2), 159-170.