Helmichs Biologie-Lexikon

Histone

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Histone sind eine Klasse basischer Proteine, die vor allem im Zellkern eukaryotischer Lebewesen vorkommen.

Im Zellkern einer jeden menschlichen Zelle kommen mehr als 60 Millionen Histon-Moleküle vor, von der Masse her entspricht das in etwa der Menge an DNA im Zellkern [1]. Synthetisiert werden die Histone vor allem kurz vor der Replikation der DNA, weil sie ja zum "Verpacken" der neu synthetisierten DNA benötigt werden.

Die Histone besitzen auf ihrer Oberfläche zahlreiche basische Aminosäuren (Lysin und Arginin) mit positiv geladenen Seitenketten. So eignen sich Histone hervorragend, um die negativ geladenen Phosphat-Ribose-Ketten der DNA-Doppelhelix zu binden [1, 2].

Es gibt insgesamt fünf verschiedene Hauptklassen der Histone, die als H1, H2, ..., H5 bezeichnet werden. Von der Klasse H2 gibt es noch zwei wichtige Unterklassen, die als H2A und H2B bezeichnet werden. Die Histone erfüllen sehr wichtige Funktionen in der Zelle, sie halten nämlich die eukaryotische DNA zusammen und organisieren den Aufbau von Chromosomen. Daher sind die Aminosäure-Sequenzen der Histone hoch konserviert. Das Histon H4 aus tierischen Zellen unterscheidet sich beispielsweise nur durch zwei Aminosäuren von dem Histon H4 aus pflanzlichen Zellen [3].

Neben den oben genannten Haupttypen der Histone gibt es von jeder Hauptklasse und von den beiden H2-Unterklassen zahlreiche Subtypen. Säugetiere haben oft mehr als 12 verschiedene Gene für jedes einzelne Histon, also 12 oder mehr H1-Gene, 12 oder mehr H2-Gene und so weiter.

Das folgende Bild zeigt ein Nucleosom, die kleinste Baueinheit der Chromosomen. Ein Nucleosom besteht aus einem Kernkomplex von neun Histon-Molekülen. Der Core-Komplex, in dem nächsten Bild blau dargestellt, wird aus den Histonen H2A, H2B, H3 und H4 gebildet; jedes Histon kommt zweimal in dem Komplex vor. Die DNA des Chromosoms wickelt sich ca. mit 145 bis 147 Basenpaaren [1,2,5] mit 14 internen Helixwindungen [5] ca. 1,6 bis 1,7 mal um den Komplex aus acht Histon-Molekülen.

Das Histon H1 (grün) schließt den Komplex ab, sitzt aber sozusagen auf der DNA. Der gesamte Komplex hat einen Durchmesser von 10 bis 11 nm.

Organisation eines Nucleosoms.
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende.

Hier sehen Sie ein Modell eines Nucleosoms, angefertigt aus Fimo-Knetmasse. Die Bildung von Nucleosomen verkürzt die DNA ungefähr um den Faktor 7.

Nucleosomen

Mehr zum Thema "Nucleosomen" erfahren Sie auf dieser Lexikon-Seite.

Das Histon H1

Auch bei der nächst höheren Organisationsstufe der DNA spielen Histone eine wichtige Rolle, vor allem das Histon H1, das bei den meisten Säugetier-Zellen in sechs bis acht verschiedenen Subtypen vorkommt. Insgesamt besteht H1 aus ca. 215 Aminosäuren [6].

Schematische Darstellung von Histon H1
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Die zentrale Domäne von H1 ist hoch konserviert, während die beiden aus der Zentral-Domäne herausragenden "Fäden" sehr variabel aufgebaut sein können [3]. In der Abbildung 2 sind diese Fäden sehr langgestreckt dargestellt. In Wirklichkeit sind sie natürlich energetisch günstiger angeordnet und bilden flexible Schleifen. Mit diesen beiden Fäden nehmen die H1-Histone Kontakt mit der Linker-DNA auf, die sich zwischen den Nucleosomen befindet, und stabilisieren so die Struktur der 10-nm-"Perlenkette", die sich dann zum 30-nm-Filament auffaltet.

"The linker histone H1 binds to the nucleosome and is essential for the organization of nucleosomes into the 30-nm filament of chromatin. It has been implicated in the repression of transcription, and phosphorylation of H1 may be involved in cell-cycle-dependent chromatin condensation and decondensation."

In der Zusammenfassung des Artikels "Histone H1 is located in the interior of the chromatin 30-nm filament" [7] steht schon das Wichtigste, was man hier zu H1 sagen kann. H1 ist nicht nur für die Organisation der 30-nm-Faser verantwortlich, sondern spielt auch bei der Repression der Transkription eine wichtige Rolle und bei der Kondensation / Dekondensation des Chromatins während des Zellzyklus. Einfacher ausgedrückt: Zu Beginn der Mitose sorgt H1 dafür, dass die Chromosomen lichtmikroskopisch sichtbar werden (Kondensation), nach der Mitose werden die Abstände zwischen den Nucleosomen und innerhalb der 30-nm-Faser wieder größer, so dass das Chromatin dekondensiert und im Lichtmikroskop keine Chromosomen mehr erkannt werden können.

Die Histone H2 bis H4 und ihre Gene

Im menschlichen Genom gibt es 12 Gene für die H2A-Histone [3] (129 Aminosäuren [6]) und sogar 14 Gene für die H2B-Histone (125 Aminosäuren), die aber teils völlig identische Basensquenzen haben, was eindeutig auf mehrfache Genduplikation zurückzuführen ist [3, 6].

14 Gene sind im Humangenom für das Histon H4 (102 Aminosäuren) zuständig, und für H3 (135 Aminosäuren) mit seinen drei Subtypen H3.1, H3.2 und H3.3 gibt es noch mehr Gene [3, 6].

Die meisten Histon-Gene des Menschen sind auf dem Chromosom Nr. 6 lokalisiert. Hier liegen die Gene der fünf wichtigsten H1-Histone sowie die Gene für die Kern-Histone. Auch auf dem Chromosom Nr. 2 liegen ein paar Gene für Kern-Histone [5].

Histone und Genregulation

Seit Mitte der 90er Jahre weiß man, dass Histone nicht nur bei der Kondensation der DNA, also beim "Verpacken" eine wichtige Rolle spielen, sondern auch bei der Genregulation. Die Histone können durch bestimmte Enzyme chemisch verändert werden, beispielsweise können Methylgruppen, Phosphatgruppen oder Essigsäuregruppen eingebaut werden (Histonmodifikation). Zitat aus der Wikipedia (für die fachliche Richtigkeit übernehme ich aber keine Garantie):

"So kann eine regionale Trimethylierung des Lysinseitenrestes (K9) am Histon 3 eines Promoters zu einer Kondensierung der Chromatinstruktur in diesem Bereich führen, dies hat dann eine Inaktivierung der Genexpression des auf diesem Abschnitt liegenden Gens zur Folge."

Quellen:

  1. Alberts, Bruce et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.
  2. Berg, Tymoczko, Gatto jr., Stryer: Stryer Biochemie, 8. Auflage, Springer Berlin Heidelberg 2018.
  3. Knippers, Molekulare Genetik, Stuttgart 2006.
  4. Spektrum-Lexikon der Biologie, Artikel "Histon-Acetylierung".
  5. Jochen Graw: Genetik, 7. Auflage, Springer Spektrum, Berlin 2021.
  6. Römpp Chemie Lexikon Band 3 H-L, 9. Auflage, Thieme-Verlag Stuttgart 1990.
  7. Graziano, Gerchmann, Schneider, Ramakrishnan: "Histone H1 is located in the interior of the chromatin 30-nm filament" in Nature vom 24. März 1994.