Perwakilan skematik pengubahsuaian histon. Berdasarkan Rodriguez-Paredes dan Esteller, Nature, 2011

Katalog besar pengubahsuaian histon telah diterangkan, tetapi pemahaman fungsi kebanyakan masih kekurangan. Secara kolektif, ia dianggap bahawa pengubahsuaian histon mungkin mendasari kod histon, yang mana gabungan pengubahsuaian histon mempunyai makna khusus. Walau bagaimanapun, kebanyakan data berfungsi melibatkan pengubahsuaian histon yang menonjol dalam biokimia untuk kajian terperinci.

Kimia

Pemetilan lisina

Penambahan satu, dua, atau banyak kumpulan metil terhadap lisina mempunyai sedikit kesan ke atas kimia histon; metilasi meninggalkan cas lisina utuh, dan menambah bilangan atom yang minimum supaya interaksi sterik kebanyakannya tidak terjejas. Walau bagaimanapun, protein yang mengandungi domain Tudor, kromo atau PHD, antara lain, boleh mengenali pemetilan lisina dengan kepekaan yang sangat baik, dan dapat membezakan mono-, di- dan trimetil lisina, sehingga ke tahap di mana, dalam sesetengah lisina (cth., H4K20), ketiga-tiga jenis pemetilan nampaknya mempunyai makna yang berbeza. Oleh sebab itu, pemetilan lisina cenderung menjadi tanda yang sangat bermaklumat dan mendominasi fungsi pengubahsuaian histon yang diketahui.

Penserotoninan glutamina

Baru-baru ini telah ditunjukkan, bahawa penambahan kumpulan serotonin ke kedudukan 5 glutamina H3 berlaku dalam sel serotonergik seperti neuron. Ini adalah sebahagian daripada pembezaan sel serotonergik. Pengubahsuaian pascaterjemahan ini berlaku bersama dengan pengubahsuaian H3K4me3. Penserotoninan mempotensikan pengikatan faktor transkripsi umum TFIID ke kotak TATA.[42]

Pemetilan arginina

Apa yang dinyatakan di atas tentang kimia pemetilan lisina juga terpakai dalam metilasi arginina, dan beberapa domain protein—cth., domain Tudor—boleh menerima pemetilan arginina khusus berbanding lisina. Arginina boleh mengalami mono- atau dwipemetilan, dan boleh berbentuk simetri atau tidak simetri, dengan hasil yang berbeza.

Pensitrulinaan arginina

Enzim yang dipanggil peptidilarginina deiminase (PAD) menghidrolisis kumpulan imina arginina dan melekatkan kumpulan keto supaya terdapat satu cas positif yang kurang pada sisa asid amino. Proses ini telah terlibat dalam pengaktifan ekspresi gen dengan menjadikan histon yang diubah suai kurang terikat dengan DNA lalu menjadikan kromatin lebih mudah diakses.[43] PAD juga boleh menghasilkan kesan sebaliknya dengan membuang atau menghalang monopemetilan sisa arginina pada histon, sekaligus menentang kesan positif metilasi arginina dalam aktiviti transkripsi.[44]

Pengasetilan lisina

Penambahan kumpulan asetil mempunyai kesan kimia utama terhadap lisina kerana ia meneutralkan cas positif. Ini mengurangkan daya tarikan elektrostatik antara histon dan tulang belakang DNA bercas negatif, melonggarkan struktur kromatin; histon yang sangat berasetil membentuk kromatin yang lebih mudah diakses, dan cenderung dikaitkan dengan transkripsi aktif. Pengasetilan lisina nampaknya kurang tepat dalam maksud berbanding pemetilan kerana asetiltransferase histon cenderung bertindak terhadap lebih daripada satu lisina; mungkin ini mencerminkan keperluan untuk mengubah berbilang lisina untuk memberi kesan ketara pada struktur kromatin. Cotnoh pengubahsuaian termasuk H3K27ac.

Pemfosforilan serina/treonina/tirosina

Penambahan kumpulan fosfat bercas negatif boleh membawa kepada perubahan besar dalam struktur protein, yang membawa kepada peranan pemfosforilan yang dicirikan dengan baik dalam mengawal fungsi protein. Tidak jelas apakah implikasi struktur pemfosforilan histon, tetapi ia mempunyai fungsi yang jelas sebagai pengubahsuaian pascaterjemahan, dan domain pengikat seperti BRCT telah dicirikan.

Kesan pada transkripsi

Kebanyakan pengubahsuaian histon yang dikaji dengan baik terlibat dalam kawalan transkripsi.

Gen yang ditranskripsi secara aktif

Dua pengubahsuaian histon terutamanya dikaitkan dengan transkripsi aktif:

Trimetilasi H3 lisina 4 (H3K4me3)Trimetilasi ini berlaku dalam promoter gen aktif,[45][46][47] dan dilakukan oleh kompleks COMPASS.[48][49][50] Walaupun ada pemeliharaan pengubahsuaian kompleks dan histon ini daripada yis kepada mamalia, peranan yang dimainkan oleh pengubahsuaian ini tidak jelas sepenuhnya. Walau bagaimanapun, ia adalah tanda yang sangat baik bagi promoter aktif, dan tahap pengubahsuaian histon ini pada promoter gen secara meluas dikaitkan dengan aktiviti transkripsi gen. Pembentukan tanda ini terikat kepada transkripsi dengan cara yang agak rumit: pada awal transkripsi gen, RNA polimerase II mengalami perubahan daripada permulaan kepada pemanjangan, ditandai dengan perubahan keadaan pemfosforilan RNA domain terminal C RNA polimerase II. Enzim yang sama yang memfosforilasi CTD juga memfosforilasi kompleks Rad6[51][52] yang seterusnya menambah penanda ubikuitin kepada H2B K123 (K120 dalam mamalia).[53] H2BK123Ub berlaku di seluruh kawasan yang ditranskripsi, tetapi tanda ini diperlukan agar COMPASS mentrimetilkan H3K4 di promoter.[54][55]Tripemetilan H3 lisina 36 (H3K36me3)Trimetilasi ini berlaku dalam badan gen aktif dan didepositkan oleh Set2 metiltransferase.[56] Protein ini dikaitkan dengan RNA polimerase II yang memanjang, dan H3K36Me3 menunjukkan gen yang ditranskripsi secara aktif.[57] H3K36Me3 diiktiraf oleh kompleks histon deasetilase Rpd3 yang menghilangkan pengubahsuaian asetil daripada histon sekeliling, meningkatkan pemadatan kromatin dan menindas transkripsi palsu.[58][59][60] Peningkatan pemadatan kromatin menghalang faktor transkripsi daripada mengakses DNA, dan mengurangkan kemungkinan peristiwa transkripsi baharu dimulakan dalam badan gen. Oleh itu, proses ini membantu memastikan transkripsi tidak terganggu.

Gen ditindas

Tiga pengubahsuaian histon terutamanya dikaitkan dengan gen yang ditindas:

Tripemetilan H3 lisina 27 (H3K27me3)Pengubahsuaian histon ini didepositkan oleh kompleks polisikat PRC2.[61] Ia merupakan penanda yang jelas bagi penindasan gen,[62] dan berkemungkinan diikat oleh protein lain untuk melaksanakan fungsi penindasan. Satu lagi kompleks polisikat, PRC1, boleh mengikat H3K27me3[62] dan menambah pengubahsuaian histon H2AK119Ub yang membantu pemadatan kromatin.[63][64] Berdasarkan data ini, nampaknya PRC1 direkrut melalui tindakan PRC2, namun kajian terbaru menunjukkan bahawa PRC1 direkrut ke tapak yang sama tanpa kehadiran PRC2.[65][66]Di- dan tripemetilan H3 lisina 9 (H3K9me2/3)H3K9me2/3 ialah penanda yang dicirikan dengan baik buatheterokromatin, dan oleh itu, sangat dikaitkan dengan penindasan gen. Pembentukan heterokromatin telah dikaji dengan terbaik dalam yis Schizosaccharomyces pombe, di mana ia dimulakan dengan pengambilan kompleks penyenyapan transkripsi cetusan RNA (RITS) kepada RNA dwiuntaian yang dihasilkan daripada ulangan sentromer.[67] RITS merekrut histon metiltransferase Clr4 yang mendepositkan H3K9me2/3.[68] Proses ini dipanggil pemetilan histon. H3K9Me2/3 berfungsi sebagai tapak pengikat untuk pengambilan Swi6 (protein heterokromatin 1 atau HP1, satu lagi penanda heterokromatin klasik)[69][70] yang seterusnya merekrut aktiviti penindasan lanjut, termasuk pengubah histon seperti histon deasetilase dan histon metiltransferase.[71]Tripemetilan H4 lisina 20 (H4K20me3)Pengubahsuaian ini berkait rapat dengan heterokromatin,[72][73] walaupun kepentingan fungsinya masih tidak jelas. Tanda ini diletakkan oleh metiltransferase Suv4-20h, yang sekurang-kurangnya sebahagiannya direkrut oleh protein heterkhromatin 1.[72]

Promoter bivalen

Analisis pengubahsuaian histon dalam sel tunjang embrio (dan sel tunjang lain) mendedahkan banyak promoter gen dengan kedua-dua H3K4Me3 dan H3K27Me3, dengan kata lain, promoter ini memiliki kedua-dua penanda pengaktifan dan penindasan secara serentak. Gabungan pengubahsuaian luar biasa ini menandakan gen yang bersedia untuk transkripsi; ia tidak diperlukan dalam sel tunjang, tetapi diperlukan dengan cepat selepas pembezaan kepada beberapa keturunan. Sebaik sahaja sel mula membeza, promoter bivalen ini diselesaikan sama ada menjadi keadaan aktif atau menindas, bergantung pada keturunan yang dipilih.[74]

Fungsi lain

Pembaikan kerosakan DNA

Penandaan tapak kerosakan DNA ialah fungsi penting pengubahsuaian histon. Tanpa penanda pembaikan, DNA akan dimusnahkan oleh kerosakan yang terkumpul daripada sumber seperti sinaran ultraungu matahari.

Pemfosforilan H2AX serin 139 (γH2AX)H2AX berfosforil (juga dikenali sebagai gama-H2AX) ialah penanda bagi pemutusan dwiuntai DNA,[75] dan membentuk sebahagian daripada tindak balas kerosakan DNA.[30][76] H2AX difosforilkan lebih awal selepas pengesanan pemutusan dwiuntai, dan membentuk domain yang memanjang banyak kilobes di kedua-dua belah kerosakan.[75][77][78] Gamma H2AX bertindak sebagai tapak pengikat protein MDC1, yang seterusnya merekrut protein pembaikan DNA utama,[79][80] dan oleh itu, gama-H2AX membentuk bahagian penting dalam jentera yang memastikan kestabilan genom.Pengasetilan H3 lisina 56 (H3K56Ac)H3K56Acx diperlukan dalam kestabilan genom.[81][82] H3K56 diasetilkan oleh kompleks p300/Rtt109,[83][84][85] tetapi cepat dinyahasetilkan di sekitar tapak kerosakan DNA. Pengasetilan H3K56 juga diperlukan untuk menstabilkan garpu replikasi yang terhenti, mengelakkan garpu replikasi berbahaya runtuh.[86][87] Walaupun pada umumnya, mamalia menggunakan pengubahsuaian histon yang jauh lebih besar daripada mikroorganisma, peranan utama H3K56Ac dalam replikasi DNA hanya wujud dalam kulat, dan ini telah menjadi sasaran dalam pembangunan ubat antibiotik.[88]Trimetilasi H3 lisina 36 (H3K36me3)H3K36me3 mempunyai keupayaan untuk merekrut kompleks MSH2-MSH6 (hMutSα) bagi laluan pembaikan ketidakpadanan DNA.[89] Secara konsisten, kawasan genom manusia dengan tahap tinggi H3K36me3 mengumpul kurang mutasi somatik disebabkan oleh aktiviti pembaikan yang tidak sepadan.[90]

Pemeluwapan kromosom

Pemfosforilan H3 serina 10 (fosfo-H3S10)Kinase mitosis aurora B memfosforilkan histon H3 di serin 10, mencetuskan lata perubahan yang mengantara pemeluwapan kromosom mitosis.[91][92] Oleh itu, kromosom pekat diwarnakan sangat kuat bagi tanda ini, tetapi pemfosforilan H3S10 juga terdapat di tapak kromosom tertentu di luar mitosis, contohnya dalam heterokromatin perisentrik sel semasa fasa G2. Fosforilasi H3S10 juga telah dikaitkan dengan kerosakan DNA disebabkan oleh pembentukan gelung R di tapak yang banyak ditranskripsi.[93]Pemfosforilan H2B serina 10/14 (fosfo-H2BS10/14)Pemfosforilan H2B di serina 10 (yis) atau serina 14 (mamalia) juga dikaitkan dengan pemeluwapan kromatin, tetapi untuk tujuan yang sangat berbeza untuk mengantarkan pemeluwapan kromosom semasa apoptosis.[94][95] Tanda ini bukan sekadar pemerhati lewat dalam apoptosis kerana yis yang membawa mutasi sisa ini tahan terhadap kematian sel apoptosis oleh hidrogen peroksida.

Ketagihan

Pengubahsuaian epigenetik ekor histon di kawasan tertentu otak adalah penting dalam ketagihan.[96][97][98] Sebaik sahaja perubahan epigenetik tertentu berlaku, ia kelihatan sebagai "parut molekul" tahan lama yang mungkin menyumbang kepada ketagihan yang berterusan.[96]

Perokok biasanya ketagih nikotin.[99] Dalam hal ini, selepas 7 hari rawatan nikotin tikus, pengasetilan kedua-dua histon H3 dan histon H4 telah meningkat pada promoter FosB dalam akumbens nukleus otak, menyebabkan peningkatan 61% dalam ekspresi FosB.[100] Ini juga akan meningkatkan ekspresi varian sambatan Delta FosB. Dalam akumebs itu, Delta FosB berfungsi sebagai "suis molekul berterusan" dan "protein kawalan induk" dalam pembangunan ketagihan.[101][102]

Berkenaan alkoholisme, dalam tikus yang didedahkan kepada alkohol sehingga 5 hari, terdapat peningkatan dalam pengasetilan histon 3 lisina 9 dalam promoter pronosiseptin dalam kompleks amigdala otak. Pengasetilan ini ialah tanda pengaktifan pronosiseptin. Sistem reseptor opioid nosiseptin/nosiseptin terlibat dalam kesan pengukuhan atau penyesuaian alkohol.[103]

Penggunaan metamfetamina kronik menyebabkan pemetilan lisina di kedudukan 4 histon 3 yang terletak di promoter gen c-fos dan reseptor kemokin CC 2 (ccr2), mengaktifkan gen tersebut dalam akumbens nukleus (NAc).[104] c-fos terkenal kerana penting dalam ketagihan.[105] Gen ccr2 juga penting dalam ketagihan kerana penyahaktifan mutasi gen ini menjejaskan ketagihan.[104]