رمز الهيستون

الموسوعة الحرة

الشفرة الهيستونية هي فرضية مفادها أن نسخ المعلومات الوراثية المشفرة في الحمض النووي (DNA) يُنظَّم جزئيًا بواسطة تعديلات كيميائية (تُعرف بعلامات الهيستون ) على بروتينات الهيستون ، وخاصةً على نهاياتها غير المنظمة. إلى جانب تعديلات مماثلة مثل مثيلة الحمض النووي، تُعد هذه الشفرة جزءًا من الشفرة فوق الجينية . [ 1 ] ترتبط الهيستونات بالحمض النووي لتكوين النيوكليوسومات ، التي تتجمع بدورها لتكوين ألياف الكروماتين ، والتي تُشكل بدورها الكروموسوم المعروف . الهيستونات بروتينات كروية ذات طرف أميني مرن (يُعتبر الذيل) يبرز من النيوكليوسوم. ترتبط العديد من تعديلات ذيل الهيستون ارتباطًا وثيقًا ببنية الكروماتين، كما يرتبط كل من حالة تعديل الهيستون وبنية الكروماتين ارتباطًا وثيقًا بمستويات التعبير الجيني. يكمن المفهوم الأساسي لفرضية الشفرة الهيستونية في أن تعديلات الهيستون تعمل على استقطاب بروتينات أخرى من خلال التعرف النوعي على الهيستون المُعدَّل عبر نطاقات بروتينية متخصصة لهذا الغرض، بدلاً من مجرد تثبيت أو زعزعة التفاعل بين الهيستون والحمض النووي الأساسي. ثم تعمل هذه البروتينات المستقطبة على تغيير بنية الكروماتين بشكل فعال أو على تعزيز عملية النسخ. للاطلاع على تفاصيل تنظيم التعبير الجيني بواسطة تعديلات الهيستون، انظر الجدول أدناه .

الفرضية

تتمثل الفرضية في أن تفاعلات الكروماتين مع الحمض النووي تُوجَّه بمجموعات من تعديلات الهيستون. وبينما يُسلَّم بأن تعديلات ذيول الهيستون (مثل المثيلة، والأسيتلة، وريبوزيل الأدينوزين ثنائي الفوسفات، واليوبيكويتين، والسيترولين، وسومو، والفسفرة ) تُغيِّر بنية الكروماتين ، إلا أن الفهم الكامل للآليات الدقيقة التي تؤثر بها هذه التعديلات على تفاعلات الحمض النووي مع الهيستون لا يزال غير واضح. مع ذلك، فقد تم توضيح بعض الأمثلة المحددة بالتفصيل. على سبيل المثال، تُعد فسفرة بقايا السيرين 10 و28 على الهيستون H3 مؤشرًا على تكثيف الكروموسوم. وبالمثل، فإن الجمع بين فسفرة بقايا السيرين 10 وأسيتلة بقايا الليسين 14 على الهيستون H3 يُعد علامة دالة على النسخ النشط .

تمثيل تخطيطي لتعديلات الهيستون. استنادًا إلى رودريغيز-باريديس وإستيلر، مجلة نيتشر، 2011

التعديلات

تشمل التعديلات الموصوفة جيدًا للهستونات ما يلي: [ 3 ]

  • المثيلة : من المعروف أن بقايا الليسين والأرجينين تخضع للمثيلة. تُعدّ الليسينات المثيلة من أفضل العلامات المعروفة في شفرة الهيستون، حيث تتوافق الليسينات المثيلة المحددة بشكل جيد مع حالات التعبير الجيني. ترتبط مثيلة الليسينات H3K4 وH3K36 بتنشيط النسخ، بينما يرتبط نزع مثيلة H3K4 بكبت المنطقة الجينومية. ترتبط مثيلة الليسينات H3K9 وH3K27 بكبت النسخ. [ 4 ] على وجه الخصوص، يرتبط H3K9me3 ارتباطًا وثيقًا بالكروماتين المغاير التكويني. [ 5 ] كما تلعب مثيلة الليسين في الهيستون دورًا في إصلاح الحمض النووي . [ 6 ] على سبيل المثال، يُعد H3K36me3 ضروريًا لإصلاح كسور الحمض النووي المزدوجة عن طريق إعادة التركيب المتماثل ، بينما يُسهّل H4K20me2 إصلاح هذه الكسور عن طريق ربط النهايات غير المتماثلة . [ 6 ]
  • الأسيتيل - بواسطة HAT (ناقل أسيتيل الهيستون)؛ إزالة الأسيتيل - بواسطة HDAC (نازعة أسيتيل الهيستون): يميل الأسيتيل إلى تحديد "انفتاح" الكروماتين حيث لا يمكن للهيستونات المؤستلة أن تتراص معًا بشكل جيد مثل الهيستونات غير المؤستلة.
  • الفسفرة
  • اليوبيكويتين
  • السوملة [ 2 ]

ومع ذلك، هناك العديد من تعديلات الهيستون الأخرى، وقد أدت أساليب قياس الطيف الكتلي الحساسة مؤخرًا إلى توسيع نطاق هذه التعديلات بشكل كبير. [ 7 ]

يُقدَّم أدناه ملخص أساسي للغاية لرمز الهيستون لحالة التعبير الجيني (يتم وصف تسمية الهيستون هنا ):

نوع التعديلهيستون
H3K4H3K9H3K14H3K27H3K79H3K122H4K20H2BK5
أحادي الميثيلالتنشيط [ 8 ]التنشيط [ 9 ]التنشيط [ 9 ]التنشيط [ 9 ] [ 10 ]التنشيط [ 9 ]التنشيط [ 9 ]
ثنائي الميثيلالقمع [ 4 ]القمع [ 4 ]التنشيط [ 10 ]
التثليث الميثيليالتنشيط [ 11 ]القمع [ 9 ]القمع [ 9 ]التنشيط، [ 10 ] الكبت [ 9 ]القمع [ 4 ]
الأسيتيلالتنشيط [ 11 ]التنشيط [ 11 ]التنشيط [ 12 ]التنشيط [ 13 ]

هيستون H2B

هيستون H3

هيستون H4

تعقيد

على عكس هذا النموذج المبسط، فإن أي شفرة هيستون حقيقية قد تكون بالغة التعقيد؛ إذ يمكن تعديل كل من الهيستونات الأربعة القياسية في مواقع متعددة مختلفة في آن واحد، وبأنواع مختلفة من التعديلات. ولتوضيح هذا التعقيد، يحتوي الهيستون H3 على تسعة عشر ليسينًا معروفة بأنها مثيلة - يمكن أن يكون كل منها غير مثيل، أو مثيلًا أحاديًا، أو ثنائيًا، أو ثلاثيًا. إذا كانت التعديلات مستقلة، فإن هذا يسمح باحتمالية وجود 4 × 19 أو 280 مليار نمط مثيلة مختلف لليسين، وهو عدد يفوق بكثير الحد الأقصى لعدد الهيستونات في الجينوم البشري (6.4  جيجا بايت / ~150  زوجًا قاعديًا = ~44 مليون هيستون إذا كانت متراصة بإحكام شديد). ولا يشمل هذا أستلة الليسين (المعروفة في H3 بتسعة بقايا)، أو مثيلة الأرجينين (المعروفة في H3 بثلاثة بقايا)، أو فسفرة الثريونين/السيرين/التيروسين (المعروفة في H3 بثمانية بقايا)، ناهيك عن تعديلات الهيستونات الأخرى.

لذا، يمكن أن يحمل كل نيوكليوسوم في الخلية مجموعة مختلفة من التعديلات، مما يثير التساؤل حول وجود أنماط مشتركة لتعديلات الهيستون. وقد وجدت دراسة أجريت على حوالي 40 تعديلًا للهيستون عبر محفزات الجينات البشرية أكثر من 4000 تركيبة مختلفة مستخدمة، منها أكثر من 3000 تركيبة تحدث في محفز واحد فقط. ومع ذلك، تم اكتشاف أنماط تتضمن مجموعة من 17 تعديلًا للهيستون موجودة معًا في أكثر من 3000 جين. [ 16 ] وقد وفرت تقنية البروتينات من أعلى إلى أسفل القائمة على قياس الطيف الكتلي فهمًا أعمق لهذه الأنماط من خلال قدرتها على التمييز بين التواجد المشترك لجزيء واحد والتموضع المشترك في الجينوم أو على نفس النيوكليوسوم. [ 17 ] وقد استُخدمت مجموعة متنوعة من المناهج للتعمق في الآليات الكيميائية الحيوية التفصيلية التي تُظهر أهمية التفاعل بين تعديلات الهيستون. وبالتالي، فإن أنماطًا محددة من تعديلات الهيستون أكثر شيوعًا من غيرها. هذه الأنماط مهمة وظيفيًا، لكنها معقدة وصعبة الدراسة. لدينا حاليًا أفضل فهم بيوكيميائي لأهمية عدد صغير نسبيًا من التعديلات المنفصلة وعدد قليل من التركيبات.

تكشف مجموعة متزايدة من البيانات التجريبية عن المحددات الهيكلية للتعرف على الهيستون بواسطة قارئات وكاتبات وممحيات شفرة الهيستون. [ 18 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جينوين تي، أليس سي (2001). " ترجمة الشفرة الهيستونية". مجلة ساينس . 293 (5532): 1074-1080 . CiteSeerX 10.1.1.453.900 . doi : 10.1126/science.1063127 . PMID 11498575. S2CID 1883924 .   
  2. 1 2 شيو، يوزورو؛ أيزنمان، روبرت ن. (11 نوفمبر 2003). "يرتبط تعديل الهيستون بـ SUMOylation بكبت النسخ" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 100 (23): 13225-13230 . doi : 10.1073/pnas.1735528100 . PMC 263760. PMID 14578449 .  
  3. ↑ ستراهل ب، أليس س (2000) . "لغة تعديلات الهيستون التساهمية". نيتشر . 403 (6765): 41-5 . Bibcode : 2000Natur.403...41S . doi : 10.1038/47412 . PMID 10638745. S2CID 4418993 .  
  4. 1 2 3 4 روزنفيلد، جيفري أ؛ وانغ، زيبين؛ شونز، داستن؛ تشاو، كيجي؛ دي سال، روب؛ تشانغ، مايكل كيو (31 مارس 2009). " تحديد تعديلات الهيستون المُثرية في الأجزاء غير الجينية من الجينوم البشري" . BMC Genomics . 10 143. doi : 10.1186/1471-2164-10-143 . PMC 2667539. PMID 19335899 .  
  5. ↑ هوبليتز، فيليب؛ ألبرت، ماريكي؛ بيترز، أنطوان (28 أبريل 2009). "آليات كبت النسخ بواسطة مثيلة الليسين في الهيستون" . المجلة الدولية لعلم الأحياء النمائي . 10 (1387). بازل: 335-354 . doi : 10.1387/ijdb.082717ph . ISSN 1696-3547 . PMID 19412890 .  
  6. 1 2 وي إس، لي سي، ين زد، وين جيه، مينغ إتش، شيو إل، وانغ جيه (2018). " مثيلة الهيستون في إصلاح الحمض النووي والممارسة السريرية: نتائج جديدة خلال السنوات الخمس الماضية" . مجلة السرطان . 9 (12): 2072-2081 . doi : 10.7150/jca.23427 . PMC 6010677. PMID 29937925 .  
  7. ↑ تان م، لوه هـ، لي س، جين ف، يانغ ج س، مونتيلييه إ، وآخرون (2011). " تحديد 67 علامة هيستونية وكروتونيل الهيستون ليسين كنوع جديد من تعديل الهيستون" . الخلية . 146 (6): 1016-28 . Bibcode : 2011Cell..146.1016T . doi : 10.1016/j.cell.2011.08.008 . PMC 3176443. PMID 21925322 .   
  8. ↑ بينيفولينسكايا إي في (أغسطس 2007). "إنزيمات إزالة مثيلة الهيستون H3K4 ضرورية في النمو والتمايز". بيوكيم. سيل بيول . 85 (4): 435-443 . Bibcode : 2007BCB....85..057B . doi : 10.1139/o07-057 . PMID 17713579 . 
  9. 123456789Barski A, Cuddapah S, Cui K, Roh TY, Schones DE, Wang Z, Wei G, Chepelev I, Zhao K (May 2007). "High-resolution profiling of histone methylations in the human genome". Cell. 129 (4): 823–37. doi:10.1016/j.cell.2007.05.009. PMID 17512414.
  10. 123Steger DJ, Lefterova MI, Ying L, Stonestrom AJ, Schupp M, Zhuo D, Vakoc AL, Kim JE, Chen J, Lazar MA, Blobel GA, Vakoc CR (April 2008). "DOT1L/KMT4 recruitment and H3K79 methylation are ubiquitously coupled with gene transcription in mammalian cells". Mol. Cell. Biol. 28 (8): 2825–39. doi:10.1128/MCB.02076-07. PMC 2293113. PMID 18285465.
  11. 123Koch CM, Andrews RM, Flicek P, Dillon SC, Karaöz U, Clelland GK, Wilcox S, Beare DM, Fowler JC, Couttet P, James KD, Lefebvre GC, Bruce AW, Dovey OM, Ellis PD, Dhami P, Langford CF, Weng Z, Birney E, Carter NP, Vetrie D, Dunham I (June 2007). "The landscape of histone modifications across 1% of the human genome in five human cell lines". Genome Res. 17 (6): 691–707. doi:10.1101/gr.5704207. PMC 1891331. PMID 17567990.
  12. ↑Creyghton, MP (Dec 2010). "Histone H3K27ac separates active from poised enhancers and predicts developmental state". Proc Natl Acad Sci USA. 107 (50): 21931–6. doi:10.1073/pnas.1016071107. PMC 3003124. PMID 21106759.
  13. ↑Pradeepa, Madapura M.; Grimes, Graeme R.; Kumar, Yatendra; Olley, Gabrielle; Taylor, Gillian C. A.; Schneider, Robert; Bickmore, Wendy A. (2016-04-18). "Histone H3 globular domain acetylation identifies a new class of enhancers". Nature Genetics. 48 (6): 681–686. doi:10.1038/ng.3550. ISSN 1546-1718. PMC 4886833. PMID 27089178.
  14. ↑ ليانغ، جي (2004). "تحديد موقع متميز لأستلة الهيستون H3 ومثيلة H3-K4 في مواقع بدء النسخ في الجينوم البشري" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 101 (19): 7357-7362 . Bibcode : 2004PNAS..101.7357L . doi : 10.1073/pnas.0401866101 . PMC 409923. PMID 15123803 .  
  15. ↑ جيرونيمو، سيليا؛ بويتراس، كريستيان؛ روبرت، فرانسوا (30 يوليو 2019). "إعادة تدوير الهيستون بواسطة FACT وSpt6 أثناء النسخ يمنع تشويش تعديلات الهيستون" . تقارير الخلية . 28 (5): 1206–1218.e8. doi : 10.1016/j.celrep.2019.06.097 . PMID 31365865 . 
  16. ^ وانغ زد، زانغ سي، روزنفيلد جا، شونز دي، بارسكي أ، كوداباه إس، وآخرون . (2008). "الأنماط التوافقية لأسيتيلات هيستون وميثيلات في الجينوم البشري" . نات جينيت . 40 (7): 897– 903. بيب كود : 2008NaGen..40..897W . دوى : 10.1038/ng.154 . بمك 2769248 . بميد 18552846 .   
  17. ↑ تايلور، بي سي، ويونغ، إن إل (10 فبراير 2021). "مجموعات من تعديلات ما بعد الترجمة للهيستونات". مجلة الكيمياء الحيوية . 487 (3): 511-532 . doi : 10.1042/BCJ20200170 . PMID 33567070 . 
  18. ↑ وانغ م، موك م.و، هاربر هـ، لي و.هـ، مين ج، كناب س، أوبرمان يو، مارسدن ب، شابيرا م (24 أغسطس 2010). "علم الجينوم البنيوي للتعرف على ذيل الهيستون" . المعلوماتية الحيوية . 26 (20): 2629-2630 . doi : 10.1093/bioinformatics/btq491 . PMC 2951094. PMID 20739309 .