Histon oktamer

Unit dasar dari struktur kromatin.

Dalam biologi molekuler, sebuah histon oktamer adalah kompleks delapan-protein yang dapat ditemukan di tengah dari inti nukleosom. Histon oktamer terdiri dari dua salinan dari keempat protein inti histon (H2A, H2B, H3, dan H4). Oktamer akan tersusun ketika sebuah tetramer yang mengandung dua salinan dari H3 dan dua salinan dari H4, bergabung menjadi sebuah kompleks dengan dimer H2A/H2B. Setiap histon memiliki ekor ujung-N dan sebuah lipatan histon ujung-C. Setiap komponen kunci tadi berinteraksi dengan DNA secara unik melalui serangkaian interaksi kimia lemah, termasuk ikatan hidrogen dan jembatan garam. Interaksi-interaksi tersebut menjaga DNA dan histon oktamer terasosiasi secara longgar sehingga memungkinkan keduanya untuk berganti posisi atau berpisah sepenuhnya.

Sejarah penelitian

Modifikasi histon pascatranslasi pertama kali diidentifikasi dan dianggap berpotensi memiliki peran sebagai regulator sintesis RNA pada tahun 1964.[1] Sejak saat itu, teori kromatin telah berevolusi lebih lanjut. Model subunit kromatin sekaligus gagasan mengenai nukleosom masing-masing lahir pada tahun 1973 dan 1974.[2] Richmond dan grup penelitiannya telah berhasil mengungkap struktur kristal dari histon oktamer yang terbungkus DNA dengan resolusi 7Å pada tahun 1984.[3] Struktur inti kompleks oktamerik kemudian diteliti lagi tujuh tahun kemudian dan berhasil mengungkap struktur kristalnya dalam konsentrasi garam tinggi dengan resolusi 3.1 Å. Walaupun kemiripan sekuens antarinti histon cukup minimal, keempat bagian memiliki elemen berulang yang terdiri dari helix-loop-helix bernama motif lipatan histon.[4] Selain itu, detail dari interaksi protein-protein dan protein-DNA berhasil diteliti lebih lanjut dengan kristalografi sinar-X masing-masing pada resolusi 2.8Å dan 1.9 Å di tahun 2000-an.[5]

Detail molekuler histon oktamer

Inti histon terdiri dari empat protein bernama H2A, H2B, H3, dan H4 yang semuanya ditemukan di dalam sel. Keempat protein tadi memiliki sekuens asam amino yang mengandung 20 dan 24% lisina dan arginina sementara ukuran proteinnya berkisar antara 11400 dan 15400 dalton (cukup kecil, tapi bermuatan sangat positif.)[6] Kandungan asam amino bermuatan positif yang tinggi memungkinkan mereka untuk berasosiasi dengan DNA yang bermuatan negatif. Heterodimer atau perantara histon terbentuk dari domain lipatan histon. Pembentukan perantara histon dilanjutkan ketika inti histon dipasangkan dengan heterodimer berbentuk sabit yang memiliki simetri semu. Setiap domain lipatan histon terdiri dari 3 bagian α-helix yang dipisahkan oleh loop tak beraturan. Domain lipatan histon bertanggung jawab atas pembentukan heterodimer kepala-hingga-kaki dari kedua histon: H2A-H2B dan H3-H4. Namun, histon H3 dan H4 membentuk heterodimer terlebih dahulu, baru kemudian mengalami dimerisasi untuk membentuk sebuah tetramer (H3-H4)2.[7] Pembentukan heterodimer ini dimungkinkan oleh interaksi hidrofobik residu asam amino antara kedua protein.

Simetri semu memungkinkan heterodimer untuk diletakkan di atasnya sendiri (superimposed) dengan rotasi 180 derajat di sekitar sumbu simetri. Sebagai hasil rotasi tadi, dua ujung histon yang terlibat dalam pengikatan DNA dengan bentuk sabit H3-H4 bersifat setara, tetapi mengurus bagian DNA yang berbeda. Dimer H2A-H2B juga melipat dengan cara serupa.[8] Tetramer (H3-H4)2 dibungkus dengan DNA sebagai langkah pertama pembentukan nukleosom. Kemudian, dua dimer H2A-H2B dihubungkan dengan kompleks DNA-(H3-H4)2 untuk membentuk nukleosom.[8]

Masing-masing inti histon, selain domain lipatan histon mereka, juga mengandung ekstensi yang fleksibel dan tidak terstruktur bernama "ekor histon."[9] Perlakuan terhadap nukleosom menggunakan tripsin protease mengindikasikan bahwa setelah ekor histon dihilangkan, DNA masih bisa terikat erat dengan nukleosom.[10] Ekor histon mengalami banyak jenis modifikasi termasuk fosforilasi, asetilasi, serta metilasi sisa serina, lisina, dan arginina.[10]

Histon oktamer di nukleosom

Nucleosome assembly
Nukleosom bergabung ketika DNA membungkus histon oktamer, dua dimer H2A-H2B menyatu dengan tetramer H3-H4.

Partikel inti nukleosom merupakan bentuk paling dasar dari kompaksi DNA di eukariot. Nukleosom terdiri dari histon oktamer yang dikelilingi 146 pasang basa DNA yang membungkus secara superhelikal.[11]Selain mengkompaksi DNA, histon oktamer juga memiliki peran penting dalam proses transkripsi DNA yang mengelilinginya. Histon oktamer berinteraksi dengan DNA melalui kedua inti lipatan histon dan ekor ujung-N-nya. Lipatan histon berinteraksi secara kimiawi dan fisik dengan alur kecil DNA. Penelitian menemukan bahwa histon memiliki kecenderungan berinteraksi dengan bagian yang kaya pasangan A:T dibandingkan bagian kaya pasangan G:C pada alur kecil.[12] Ekor ujung-N tidak berinteraksi secara langsung dengan bagian khusus di DNA, melainkan menstabilkan dan memberikan petunjuk bagi DNA yang membungkus oktamer. Namun, interaksi antara DNA dan oktamer bersifat temporer. Kedua elemen dapat dipisahkan secara mudah dan cukup sering selama replikasi dan transkripsi. Proses pemodelan ulang protein tertentu secara terus menerus mengubah struktur kromatin dengan memutus ikatan antara DNA dan nukleosom.

Interaksi DNA/Histon

Histon sebagian besarnya terdiri dari asam amino bermuatan positif seperti lisina dan arginina. Muatan positif ini memungkinkan mereka untuk berasosiasi dengan DNA yang bermuatan negatif melalui interaksi elektrostatis.[13]

Pemodelan dan pembongkaran nukleosom

Dalam rangka mengakses DNA nukleosom, ikatan antara DNA dan histon oktamer harus diputus. Perubahan ini terjadi secara periodik di sel ketika bagian tertentu ditranskripsi dan terjadi di seluruh genom selama proses replikasi. Protein pemodel ulang bekerja dengan tiga cara khusus: mereka bisa menggeser DNA di sepanjang permukaan oktamer, mengganti salah satu dimer histon dengan varian lain, atau menghilangkan keseluruhan histon oktamer. Terlepas dari metode apa yang digunakan, agar dapat memodifikasi nukleosom, kompleks pemodel ulang memerlukan energi dari hidrolisis ATP untuk menjalankan aksi mereka.

Dari ketiga teknik di atas, penggeseran adalah cara paling umum dan paling tidak esktrem. [14] Premis dasar dari teknis tersebut adalah membebaskan bagian DNA yang normalnya terikat erat dengan histon oktamer.Walaupun mekanisme detail dari teknik ini belum terlalu jelas, tapi hipotesis paling umum adalah bahwa penggeseran ini dilakukan secara "inchworm". Artinya, domain translokase dari kompleks-pemodel-ulang-nukleosom akan melepas bagian kecil DNA dari histon oktamer dengan ATP sebagai sumber energinya.

Pengaruh klinis

Banyak penelitian melaporkan hubungan antara penyakit terkait usia, cacat lahir, dan sejumlah jenis kanker dengan gangguan modifikasi histon pascatranslasi tertentu. Berbagai studi berhasil mengidentifikasi bahwa ujung N- dan ekor ujung-C adalah target utama untuk asetilasi, metilasi, ubikitinasi, dan fosforilasi.[15] Bukti-bukti terbaru mengarah pada beberapa modifikasi di dalam inti histon. Penelitian mulai bergerak menuju mencari tahu peran dari modifikasi inti histon pada antarmuka histon-DNA di kromatin. Koaktivator p300 dan protein terikat cAMP (CBP) memiliki aktivitas asetiltransferase histon. Pada tikus yang diberi perlakuan knockout pada gen yang mengkode CBP dan P300, mereka mengalami kelainan tabung saraf sehingga mati sebelum lahir. Embrio dengan perlakuan p300−/− menunjukkan tanda kelaianan perkembangan hati, sementara tikus dengan perlakuan CBP+/− menunjukan retardasi pertumbuhan, kelainan kraniofasial, dan keganasan hematologi yang tidak ditemukan pada tikus dengan perlakuan p300+/−.[16] Mutasi kedua p300 telah dilaporkan pada tumor manusia seperti kanker kolorektal, lambung, payudara, ovarium, paru-paru, dan pankreas. Selain itu, aktivasi atau lokalisasi dari dua asetiltransferase histon dapat bersifat onkogenik.

Lihat juga

Referensi

  1. ^ Allfrey, VG; Mirsky, AE (May 1, 1964). "Structural Modifications of Histones and their Possible Role in the Regulation of RNA Synthesis". Science. 144 (3618): 559. doi:10.1126/science.144.3618.559. PMID 17836360. 
  2. ^ Hewish, Dean R.; Burgoyne, Leigh A. (1973). "Chromatin sub-structure. The digestion of chromatin DNA at regularly spaced sites by a nuclear deoxyribonuclease". Biochem. Biophys. Res. Commun. 52 (2): 504–510. doi:10.1016/0006-291x(73)90740-7. PMID 4711166. 
  3. ^ Klug; Richmond (1984). "Structure of the nucleosome core particle at 7 Å resolution". Nature. 311 (5986): 532–537. Bibcode:1984Natur.311..532R. doi:10.1038/311532a0. PMID 6482966. 
  4. ^ Arents; Burlingame (1991). "The nucleosomal core histone octamer at 3.1 ˚A resolution: a tripartite protein assembly and a left-handed superhelix". PNAS. 88 (22): 10148–52. Bibcode:1991PNAS...8810148A. doi:10.1073/pnas.88.22.10148 alt=Dapat diakses gratis. PMC 52885 alt=Dapat diakses gratis. PMID 1946434. 
  5. ^ Davey, Curt A.; Sargent, David F.; Luger, Karolin; Maeder, Armin W.; Richmond, Timothy J. (June 2002). "Solvent Mediated Interactions in the Structure of the Nucleosome Core Particle at 1.9Å Resolution". Journal of Molecular Biology. 319 (5): 1097–1113. doi:10.1016/S0022-2836(02)00386-8. PMID 12079350. 
  6. ^ School, James D. Watson, Cold Spring Harbor Laboratory, Tania A. Baker, Massachusetts Institute of Technology, Stephen P. Bell, Massachusetts Institute of Technology, Alexander Gann, Cold Spring Harbor Laboratory, Michael Levine, University of California, Berkeley, Richard Losik, Harvard University ; with Stephen C. Harrison, Harvard Medical (2014). Molecular biology of the gene (edisi ke-Seventh). Boston: Benjamin-Cummings Publishing Company. hlm. 241. ISBN 978-0321762436. 
  7. ^ Luger, Karolin (April 2003). "Structure and dynamic behavior of nucleosomes". Current Opinion in Genetics & Development. 13 (2): 127–135. doi:10.1016/S0959-437X(03)00026-1. PMID 12672489. 
  8. ^ a b Kniazeva, Anastasiia S.; Armeev, Grigoriy A.; Shaytan, Alexey K. (2022-09-12). "H2A-H2B Histone Dimer Plasticity and Its Functional Implications". Cells (dalam bahasa Inggris). 11 (18): 2837. doi:10.3390/cells11182837. ISSN 2073-4409. 
  9. ^ Harshman, S. W.; Young, N. L.; Parthun, M. R.; Freitas, M. A. (14 August 2013). "H1 histones: current perspectives and challenges". Nucleic Acids Research. 41 (21): 9593–9609. doi:10.1093/nar/gkt700. PMC 3834806 alt=Dapat diakses gratis. PMID 23945933. 
  10. ^ a b School, James D. Watson, Cold Spring Harbor Laboratory, Tania A. Baker, Massachusetts Institute of Technology, Stephen P. Bell, Massachusetts Institute of Technology, Alexander Gann, Cold Spring Harbor Laboratory, Michael Levine, University of California, Berkeley, Richard Losik, Harvard University ; with Stephen C. Harrison, Harvard Medical (2014). Molecular biology of the gene (edisi ke-Seventh). Boston: Benjamin-Cummings Publishing Company. hlm. 241. ISBN 978-0321762436. 
  11. ^ Andrews, Andrew J.; Luger, Karolin (9 June 2011). "Nucleosome Structure(s) and Stability: Variations on a Theme". Annual Review of Biophysics. 40 (1): 99–117. doi:10.1146/annurev-biophys-042910-155329. PMID 21332355. 
  12. ^ School, James D. Watson, Cold Spring Harbor Laboratory, Tania A. Baker, Massachusetts Institute of Technology, Stephen P. Bell, Massachusetts Institute of Technology, Alexander Gann, Cold Spring Harbor Laboratory, Michael Levine, University of California, Berkeley, Richard Losik, Harvard University ; with Stephen C. Harrison, Harvard Medical (2014). Molecular biology of the gene (edisi ke-Seventh). Boston: Benjamin-Cummings Publishing Company. hlm. 241. ISBN 978-0321762436. 
  13. ^ School, James D. Watson, Cold Spring Harbor Laboratory, Tania A. Baker, Massachusetts Institute of Technology, Stephen P. Bell, Massachusetts Institute of Technology, Alexander Gann, Cold Spring Harbor Laboratory, Michael Levine, University of California, Berkeley, Richard Losik, Harvard University ; with Stephen C. Harrison, Harvard Medical (2014). Molecular biology of the gene (edisi ke-Seventh). Boston: Benjamin-Cummings Publishing Company. hlm. 241. ISBN 978-0321762436. 
  14. ^ Becker, P. B. (16 September 2002). "NEW EMBO MEMBER'S REVIEW: Nucleosome sliding: facts and fiction". The EMBO Journal. 21 (18): 4749–4753. doi:10.1093/emboj/cdf486. PMC 126283 alt=Dapat diakses gratis. PMID 12234915. 
  15. ^ Jenuwein, T; Allis, CD (Aug 10, 2001). "Translating the histone code". Science. 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 alt=Dapat diakses gratis. doi:10.1126/science.1063127. PMID 11498575. 
  16. ^ Yao, TP; Oh, SP; Fuchs, M; Zhou, ND; Ch'ng, LE; Newsome, D; Bronson, RT; Li, E; Livingston, DM; Eckner, R (May 1, 1998). "Gene dosage-dependent embryonic development and proliferation defects in mice lacking the transcriptional integrator p300". Cell. 93 (3): 361–72. doi:10.1016/S0092-8674(00)81165-4 alt=Dapat diakses gratis. PMID 9590171.