Разнообразие гистонов H2A и их влияние на структурные свойства нуклеосомы

Ключевым эпигенетическим фактором являются гистоновые белки, которые играют важную роль в динамике хроматина и регуляции активности генов. Они делятся на два обширных класса: канонические гистоны и их варианты. Канонические гистоны экспрессируются в основном в ходе S-фазы клеточного цикла, так как участвуют в упаковке ДНК в процессе деления клетки. Гистоновые варианты – это гены гистонов, которые экспрессируются и регулируют динамику хроматина в ходе всего клеточного цикла. В силу функционального и видового разнообразия выделяют различные семейства вариантных гистонов. Некоторые белки характеризуются незначительными отличиями от канонических гистонов, другие же наоборот могут иметь множество важных структурных и функциональных особенностей, влияющих на стабильность нуклеосомы и динамику хроматина. Для того чтобы оценить вариабельность гистонов семейства H2A и их влияние на структуру нуклеосомы, мы провели биоинформатический анализ аминокислотных последовательностей гистонов семейства H2A. Проведенная кластеризация методом UPGMA позволила выделить два основных подсемейства белков H2A: «короткие» H2A (short H2A) и другие варианты H2A, демонстрирующие более высокую консервативность аминокислотных последовательностей. Также мы построили и проанализировали множественные выравнивания для различных подсемейств гистонов H2A. Важно отметить, что белки подсемейства «коротких» H2A являются не только самыми низко консервативными внутри своего семейства, но и имеют особенности, оказывающие существенное влияние на структурные свойства нуклеосомы. Кроме того, мы провели филогенетический анализ «коротких» гистонов H2A, в результате которого были более детально охарактеризованы подсемейства, соответствующие вариантам H2A.B, H2A.P, H2A.Q, H2A.L.

1. Talbert P.B., Henikoff S. Histone variants at a glance. J. Cell Sci. 2021;134(6):jcs244749.

2. Draizen E.J., Shaytan A.K., Mariño-Ramírez L., Talbert P.B., Landsman D., Panchenko A.R. HistoneDB 2.0: a histone database with variants—an integrated resource to explore histones and their variants. Database. 2016;2016:baw014.

3. Malik H.S., Henikoff S. Phylogenomics of the nucleosome. Nat. Struct. Mol. Biol. 2003;10(11):882–891.

4. Kustatscher G., Hothorn M., Pugieux C., Scheffzek K., Ladurner A.G. Splicing regulates NAD metabolite binding to histone macroH2A. Nat. Struct. Mol. Biol. 2005;12(7):624–625.

5. Yelagandula R., Stroud H., Holec S., Zhou K., Feng S., Zhong X., Muthurajan M., Nie X., Kawashima T., Groth M., Luger K., Jacobsen S., Berger F. The histone variant H2A.W defines heterochromatin and promotes chromatin condensation in Arabidopsis. Cell. 2014;158(1):98–109.

6. Tanaka M., Hennebold J.D., Macfarlane J., Adashi E.Y. A mammalian oocyte-specific linker histone gene H1oo: homology with the genes for the oocyte-specific cleavage stage histone (cs-H1) of sea urchin and the B4/H1M histone of the frog. Development. 2001;128(5):655–664.

7. Jiang D., Borg M., Lorković Z.J., Montgomery S.A., Osakabe A., Yelagandula R., Axelsson E., Berger F. The evolution and functional divergence of the histone H2B family in plants. PLOS Genetics. 2020;16(7):e1008964.

8. Strickland M., Strickland W.N., Brandt W.F., Von Holt C., Wittmann-Liebold B. The complete amino-acid sequence of histone H2B(3) from sperm of the sea urchin Parechinus angulosus. Eur. J. Biochem. 1978;89(2):443–452.

9. Kawashima T., Lorković Z.J., Nishihama R., Ishizaki K., Axelsson E., Yelagandula R., Yelagandula R., Kohchi T., Berger F. Diversification of histone H2A variants during plant evolution. Trends Plant Sci. 2015;20(7):419–425.

10. Ueda K., Suzuki M., Ono M., Ide N., Tanaka I., Inoue M. Male gametic cell-specific histone gH2A gene of Lilium longiflorum: genomic structure and promoter activity in the generative cell. Plant Mol. Biol. 2005;59(2):229–238.

11. Molaro A., Young J.M., Malik H.S. Evolutionary origins and diversification of testis-specific short histone H2A variants in mammals. Genome Res. 2018;28(4):460–473.

12. Churchill M.E., Suzuki M. “SPKK” motifs prefer to bind to DNA at A/T-rich sites. EMBO J. 1989;8(13):4189–4195.

13. Zambrano-Mila M.S., Aldaz-Villao M.J., Casas-Mollano J.A. Canonical histones and their variants in plants: evolution and functions. Epigenetics in plants of agronomic importance: fundamentals and applications. Eds. R. Alvarez-Venegas, C. De-la-Peña, J. Casas-Mollano. Cham: Springer; 2019:185–222.

14. Larkin M.A., Blackshields G., Brown N.P., Chenna R., McGettigan P.A., McWilliam H., Valentin F., Wallace I.M., Wilm A., Lopez R., Thompson J.D., Gibson T.J., Higgins D.G. Clustal W and Clustal X version 2.0. Bioinformatics. 2007;23(21):2947–2948.

15. Wheeler T.J., Kececioglu J.D. Multiple alignment by aligning alignments. Bioinformatics. 2007;23(13):i559– i568.

16. Edgar R.C. MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res. 2004;32(5):1792–1797.

17. Guindon S., Dufayard J.F., Lefort V., Anisimova M., Hordijk W., Gascuel O. New algorithms and methods to estimate maximum-likelihood phylogenies: assessing the performance of PhyML 3.0. Syst. Biol. 2010;59(3):307–321.

18. Beitz E. TEXshade: shading and labeling of multiple sequence alignments using LATEX2 epsilon. Bioinformatics. 2000;16(2):135–139.

19. 1. Jiang X., Soboleva T.A., Tremethick D.J. Short histone H2A variants: small in stature but not in function. Cells. 2020;9(4):867.

20. Chew G.L., Bleakley M., Bradley R.K., Malik H.S., Henikoff S., Molaro A., Sarthy J. Short H2A histone variants are expressed in cancer. Nat. Commun. 2021;12(1):490.

21. Dryhurst D., Ishibashi T., Rose K.L., Eirín-López J.M., McDonald D., Silva-Moreno B., Veldhoen N., Helbing C.C., Hendzel M.J., Shabanowitz J., Hunt D.F., Ausió, J. Characterization of the histone H2A.Z-1 and H2A.Z-2 isoforms in vertebrates. BMC Biology. 2009;7(1):86.

22. Shaytan A.K., Landsman D., Panchenko A.R. Nucleosome adaptability conferred by sequence and structural variations in histone H2A-H2B dimers. Curr. Opin. Struct. Biol. 2015;32:48–57.

23. Millar C.B. Organizing the genome with H2A histone variants. Biochem. J. 2013;449(3):567–579.

24. Draker R., Ng M.K., Sarcinella E., Ignatchenko V., Kislinger T., Cheung P. A Combination of H2A.Z and H4 acetylation recruits Brd2 to chromatin during transcriptional activation. PLOS Genetics. 2012;8(11):e1003047.