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Tutorial MenueVom Gen zum Protein - eine EinführungLerneinheit 1 von 3

Genomstruktur in Eu- und Prokaryonten

Die Histone

Histone sind basische Proteine und die wichtigsten Bestandteile des Chromatins, das der Verpackung der sehr langen DNA-Stränge einer eukaryontischen Zelle dient. Die Basiseinheit des Chromatins ist das Nucleosom, ein Komplex aus fünf verschiedenen Histonen (Histone H1, H2A, H2B, H3 und H4), die alle ähnlich aufgebaut sind. Alle Histone haben eine zentrale, globuläre Domäne und ein oder zwei flexible Arme aus überwiegend positiv geladenen Aminosäuren. Ungewöhnlich ist auch, dass statistisch gesehen jeder vierte Rest in diesen Proteinen ein positiv geladener Lysin-Rest ist, der eine starke Wechselwirkung der Histone mit der negativ geladenen DNA ermöglicht.

Histone gehören zu den in der Evolution am besten konservierten Proteinen einer eukaryontischen Zelle überhaupt - bei dem Histon H4 unterscheidet sich beispielsweise die Aminosäure-Sequenz des Proteins aus der Erbse nur in zwei von 104 Aminosäureresten gegenüber der Aminosäure-Sequenz des Rinder-H4-Histons.

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Abb.1
3D-Modell eines Histon-DNA-Komplexes

PDB-Code: 1EQZ

Histon-Modifikationen und ihre Funktion

Die Struktur der Histone kann durch posttranslationale Modifikationen variiert werden, so z.B. durch Acetylierung, Phosphorylierung, Methylierung und das Anheften eines Ubiquitin-Rests an die Aminosäuren. Diese Modifikationen sind sehr wichtig für die Zugänglichkeit der DNA für die Enzyme der Transkription.

Acetylierung: Bei dieser Modifikation werden Lysin-Reste in H2A, H2B, H3 und H4 von dem Enzym Acetyltransferase acetyliert. Diese Aktivität lässt sich vor allem in Chromatin-Abschnitten, die gerade transkribiert werden, beobachten oder an neu synthetisierten Histonen, die noch nicht mit einer DNA assoziiert sind. Bei der Transkription hat die Acetylierung eine entscheidende Rolle. Durch die Acetylierung wird die DNA teilweise von den Nucleosomen gelöst und ist dann eher zugänglich für die Enzyme der Transkription. Mit diesem reversiblen Prozess kann die Genexpression entscheidend beeinflusst werden. Die Entfernung des Acetyl-Rests wird von dem Enzym Histondeacatylase katalysiert.

Phosphorylierung: Die Phosphorylierung erfolgt durch Proteinkinasen, die generell eine Phosphat-Gruppe auf Proteine übertragen. Dabei werden bestimmte Histone sehr unterschiedlich phosphoryliert - eine Phosphorylierung von Serin-Resten des Histons H3 erfolgt beispielsweise als Antwort auf Wachstumssignale aus dem Umfeld der Zelle. H2A wird während des Zusammmenbaus des Chromatins phosphoryliert und H1 während der DNA-Replikation. Das dient, ähnlich wie die Acetylierung bei der Transkription, der Auflockerung der Chromatin-Struktur, so dass die Replikationsproteine an die DNA binden können. Phosphorylierungen werden durch Phosphatasen rückgängig gemacht.

Methylierung: Bei der Methylierung handelt es sich um eine irreversible Modifikation der Histone, bei der Amino-Gruppen der Lysin-Reste von H3 und H4 methyliert werden.

Anheftung von Ubiquitin: Bei dieser Modifikation wird das Polypeptid Ubiquitin spezifisch an eine Aminosäure (Lysin 119) von Histon H2A angehängt, und zwar an etwa 10 % dieser Reste. Ubiquitin ist ein Peptid, das aus 74 Aminosäuren besteht und normalerweise als Marker an Proteine angeheftet wird, die in der Zelle abgebaut werden sollen. Die Funktion von Ubiquitin im Zusammenhang mit Histonen ist nicht bekannt, aber es ist davon auszugehen, dass es sich in diesem Fall nicht um ein Signal zum Abbau des Proteins handelt.

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