Histoonid

Histoonid on osa raku tuumadest. Nende olemasolu eristab üherakulisi organisme (baktereid) ja mitmerakulisi organisme (inimesed, loomad või taimed). Väga vähestes bakteritüvedes on histoonidega sarnased valgud. Evolutsioon on tootnud histoonid, et mahutada kõrgema elusolendi rakkudesse paremini ja tõhusamalt väga pikka DNA ahelat, mida nimetatakse ka geneetiliseks materjaliks. Sest kui inimese genoom lahti keerata, oleks see umbes 1-2 m pikk, sõltuvalt raku staadiumist, milles rakk on.

Mis on histoonid?

Rohkem arenenud organismides esinevad histoonid raku tuumades ja neil on suur osa positiivselt laetud aminohappeid (eriti lüsiini ja arginiini). Histooni valgud jagunevad viide põhirühma - H1, H2A, H2B, H3 ja H4. Nelja rühma H2A, H2B, H3 ja H4 aminohapete järjestused erinevad elusolendite vahel vaevalt, samas kui ühendava histooni H1 osas on rohkem erinevusi. Lindude tuumas sisalduvate punaste vereliblede korral on H1 täielikult asendatud teise peamise histoonirühmaga, mida nimetatakse H5.

Järjestuste suur sarnasus enamikus histoonvalkudes tähendab seda, et enamikes organismides toimub DNA "pakkimine" samal viisil ja saadud kolmemõõtmeline struktuur on sama tõhus histoonide funktsioneerimisel. Evolutsiooni käigus pidi histoonide teke toimuma väga varakult ja seda tuli säilitada isegi enne imetajate või inimeste ilmnemist.

Anatoomia ja struktuur

Niipea kui rakus moodustatakse üksikutest alustest (nn nukleotiididest) uus DNA ahel, tuleb see "pakkida". Sel eesmärgil dimoneeruvad histooni valgud, mis siis moodustavad mõlemad kaks tetrameeri. Lõpuks koosneb histooni tuum kahest tetrameerist, histooni oktaameerist, mille ümber DNA ahel on mähitud ja osaliselt tunginud. Histooni oktaameer paikneb seega keerutatud DNA ahela kolmemõõtmelises struktuuris.

Kaheksa histooni valku koos nende ümber oleva DNA-ga moodustavad kogu nukleosoomi kompleksi. DNA pindala kahe nukleosoomi vahel nimetatakse linker-DNAks ja see sisaldab umbes 20-80 nukleotiidi. Linkeri DNA vastutab DNA "sisenemise" ja "väljumise" eest histooni oktameerides. Nukleosoom koosneb seega umbes 146 nukleotiidist, linkeri DNA osast ja kaheksast histooni valgust, nii et 146 nukleotiidi ümbritsevad histooni oktaameeri 1,65 korda.

Lisaks on iga nukleosoom seotud H1 molekuliga, nii et DNA sisenemis- ja väljumiskohti hoiab ühendatud histoon koos ja DNA kompaktsus suureneb. Nukleosomi läbimõõt on umbes 10–30 nm. Paljud nukleosoomid moodustavad kromatiini, pika DNA-histooni ahela, mis näeb elektronmikroskoobi all välja nagu pärlikeel. Nukleosoomid on "pärlid", mis on ümbritsetud või ühendatud stringilaadse DNA-ga.

Hulk histooni puudutavaid valke toetab üksikute nukleosoomide või kogu kromatiini moodustumist, mis lõpuks moodustab üksikud kromosoomid, kui rakk jaguneb. Kromosoomid on kromatiini maksimaalne kokkusurumisviis ja neid saab raku tuumajaotuse käigus tuvastada valgusmikroskoopia abil.

Funktsioon ja ülesanded

Nagu eespool mainitud, on histoonid positiivse laenguga põhiproteiinid, seega interakteeruvad nad negatiivse laenguga DNA-ga elektrostaatilise külgetõmbe kaudu. DNA "mähkub" ümber histooni oktaameeride, nii et DNA muutub kompaktsemaks ja sobib iga raku tuuma. H1 funktsioon on kõrgema taseme kromatiini struktuuri tihendamine ja enamasti takistab transkriptsiooni ja seega translatsiooni, st selle DNA osa transleerimist valkudeks mRNA kaudu.

Sõltuvalt sellest, kas rakk "puhkab" (faasidevaheline) või jaguneb, on kromatiin vähem või tugevamalt kondenseerunud, st pakitud. Interfaasis on suured kromatiini osad vähem kondenseerunud ja seetõttu saab neid transkribeerida mRNA-deks, st lugeda ja hiljem transleerida valkudeks. Histoonid reguleerivad nende läheduses olevate üksikute geenide aktiivsust ja võimaldavad transkriptsiooni ja mRNA ahelate loomist.

Kui rakk hakkab jagunema, ei transleerita DNA-d valkudeks, vaid jaotatakse ühtlaselt kahe loodud tütarraku vahel. Kromatiin on seetõttu tugevalt kondenseerunud ja lisaks stabiliseeritud histoonide poolt. Kromosoomid muutuvad nähtavaks ja neid saab paljude teiste mittehistoonvalkude abil jaotada uutele rakkudele.

Haigused

Histoonid on uue elusolendi loomisel hädavajalikud. Kui histooni geenides esinevate mutatsioonide tõttu ei saa ühte või mitut histooni valku moodustada, pole see organism elujõuline ja edasine areng peatatakse enneaegselt. See on peamiselt tingitud histoonide suurest järjestuse säilimisest.

Kuid juba mõnda aega on teada, et erineva pahaloomulise ajukasvajaga lastel ja täiskasvanutel võivad kasvajarakkude erinevates histoonigeenides tekkida mutatsioonid. Histooni geenide mutatsioone on kirjeldatud ennekõike nn glioomides. Nendes kasvajates on avastatud ka piklikud kromosoomi sabad. Need kromosoomide otsasektsioonid, mida nimetatakse telomeerideks, vastutavad tavaliselt kromosoomide pikaealisuse eest. Selles kontekstis näib, et histooni mutatsioonidega kasvajate piklikud telomeerid annavad neile degenereerunud rakkudele ellujäämiseelise.

Vahepeal on teada muud tüüpi vähk, millel on mutatsioonid erinevates histooni geenides ja seega toodetakse muteerunud histooni valke, mis ei täida või ainult halvasti oma regulatiivseid ülesandeid. Neid leide kasutatakse praegu eriti pahaloomuliste ja agressiivsete kasvajate ravivormide väljatöötamiseks.