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'''Histonmodifikationen''' sind chemische Veränderungen an [[Histon]]-Proteinen, die unter anderem Einfluss auf die [[Transkription (Biologie)|Transkription]] haben. Diese Modifikationen sind im Gegensatz zu [[Mutation|Mutationen]] absichtlich, umkehrbar und dienen der [[Genregulation]] – also dafür, dass die [[Genexpression|Expression]] von Genen reguliert (gesteigert oder [[Inhibitor|inhibiert]]) wird.<ref>{{Internetquelle |url=https://opendata.uni-halle.de/bitstream/1981185920/8220/1/Dissertation_ClaudiaLein.pdf |titel=Die Kontrolle von Histonmodifikationen durch nicht- kodierende RNAs und Ecdyson-Signalling |hrsg=Naturwissenschaftlichen Fakultät I – Biowissenschaften - der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg |datum=2015 |abruf=2022-06-22}}</ref>

== Arten von Modifikationen ==
Histonmodifikationen wurden sowohl an den unstrukturierten N- und C-terminalen Enden der Histon-Proteine als auch in dem globulären Bereich innerhalb des [[Nukleosom]]en-Kerns gefunden.

=== Nomenklatur ===
Um Histonmodifikationen zu bezeichnen, hat sich folgende Nomenklatur entwickelt:
# Der Name des Histons (z. B. H3)
# Die betroffene [[Aminosäure]] in ihrem [[Aminosäuren#Kanonische Aminosäuren|Einbuchstabencode]] (z. B. K für [[Lysin]]) mit der Position der Aminosäure im Protein
# Die Art der Modifikation (me: [[Methyl]], P: [[Phosphat]], Ac: [[Acetyl]], Ub: [[Ubiquitin]])
# Bei Methylierung kann zusätzlich die Anzahl der Methylgruppen (bei Lysinen und [[Arginin]]en) als auch die Symmetrie (bei dimethylierten Argininen) angegeben werden.
Beispiele:
* Trimethylierung des Lysins an Position 4 des Histon 3: H3K4me3
* symmetrische Methylierung des Arginins 8 am Histon 3: H3R8me2s
* Acetylierung des Lysins an Position 20 am Histon 4: H4K20Ac

=== Acetylierung ===
Histon-[[Acetylierung]] findet ausschließlich an Lysinen statt (z. B. H3K9Ac, H3K27Ac, H4K16Ac, H4K20Ac). Die Hauptwirkung der Acetylgruppe ist die Neutralisierung der positiven Ladung des Lysins. Hierfür wird von einem [[Acetyl-Coenzym A]] an die [[Aminogruppe|ε-NH<sup>+</sup>-Gruppe]] des Lysins eine [[Acetylgruppe]] durch Histon-Acetyltransferasen (HAT) übertragen. Die Konsequenz ist eine Verringerung der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen dem Lysin und den negativen Ladungen an der [[DNA]]. Dies führt zu einer Öffnung der 30 nm-Faser (Solenoidstruktur), was das Binden von [[Transkriptionsfaktor]]en sowie der Transkriptionsmaschinerie erlaubt und so die Transkription begünstigt ([[Euchromatin]]). Histon-Acetylierungen werden erzeugt durch Histon-Acetyltransferasen (HAT) und wieder entfernt durch Histon-Deacetylasen (z. B. [[HDAC4]]). Bei den Histon-Acetyltransferasen werden zwei Gruppen unterschieden: Typ A und Typ B. Die Typ A-Enzyme acetylieren die Histone im Chromatin am ''N''-Terminus. Typ B HATs sind überwiegend im [[Cytoplasma]] aktiv. Dort acetylieren sie diejenigen Histone, die noch nicht in das Chromatin integriert sind. Der Umkehrprozess, die Deacetylierung, wird durch die [[Histon-Deacetylasen|Histon-Deacetylase]] katalysiert und führt zur Verstärkung der elektrostatischen Wechselwirkung ([[Heterochromatin]]).<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Andrew J. Bannister, Tony Kouzarides |Titel=Regulation of chromatin by histone modifications |Sammelwerk=Cell Research |Band=21 |Nummer=3 |Datum=2011-03 |ISSN=1748-7838 |DOI=10.1038/cr.2011.22 |Seiten=381–395 |Abruf=2022-06-24}}</ref>
[[Datei:Lysine acetylation.svg|zentriert|rahmenlos|750x750px|Mechanismus der Lysin-Acetylierung]]

=== Methylierung ===
Histon-[[Methylierung]] findet man sowohl an Lysinen als auch an Argininen. Histon-Methylierung kann sowohl positiv als auch negativ mit Transkription korrelieren, je nachdem, welches Lysin/Arginin man betrachtet. Außerdem können Lysine mit ein, zwei oder drei und Arginine mit bis zu zwei Methylgruppen modifiziert sein. Diese verschiedenen Methylierungszustände sind oft unterschiedlich im Genom verteilt und haben daher wahrscheinlich auch unterschiedliche biologische Funktionen. Histon-Methylierung wird erzeugt durch Histon-Methyltransferasen (HMT) und entfernt durch Histon-Demethylasen (HDM). Mechanistisch liegt dem Prozess ein nucleophiler Angriff der Aminogruppe des Restes zugrunde. Der Methyldonor ist dabei meist ''(S)''-Adenosylmethionin ([[S-Adenosylmethionin|SAM]]).<ref>{{Literatur |Autor=Yu-Chieh Wang, Suzanne E Peterson, Jeanne F Loring |Titel=Protein post-translational modifications and regulation of pluripotency in human stem cells |Sammelwerk=Cell Research |Band=24 |Nummer=2 |Datum=2014-02 |ISSN=1001-0602 |Seiten=143–160 |Online=https://www.nature.com/articles/cr2013151 |Abruf=2021-02-17 |DOI=10.1038/cr.2013.151 |PMC=3915910 |PMID=24217768}}</ref>

Wichtige Methylierungen sind:
* H3K4me2/3 (findet man an den [[Promotor (Genetik)|Promotoren]] von aktiv transkribierten [[Gen]]en)
* H3K27me3 (findet man an reprimierten Genen)
* H3K9me3 (findet man im [[Heterochromatin]])
* H3K4me1/2 (findet man an aktiven [[Enhancer (Genetik)|Enhancern]])
* H3K36me3, H4K20me1 (findet man im Gen-Körper von aktiv transkribierten Genen)

=== Phosphorylierung ===
Histon-[[Phosphorylierung]] – also das Anfügen oder Entfernen von Phosphatgruppen – kann an Aminosäuren mit einer [[Hydroxygruppe]] stattfinden, also an [[Serin]]en, [[Threonin]]en und [[Tyrosin]]en. Hierbei wird von [[Adenosintriphosphat|ATP]] eine [[Phosphate|Phosphatgruppe]] durch die Kinase an die Hydroxy-Gruppe übertragen. Die Phosphorylierung wird durch [[Kinase|Kinasen]] oder [[Phosphatasen]] kontrolliert. Dadurch steigt die negative Ladung der Histone signifikant an und verändert somit die Struktur des Chromatins. Über die Phosphatasen ist weniger bekannt, es wird aber eine hohe Aktivität im Zellkern (Nucleus) vermutet. Histon-Phosphorylierungen sind in ihrer Funktion ähnlich divers wie Histon-Methylierungen.<ref name=":0" />

=== Weitere bekannte Modifikationen ===
* [[Propionylierung]]
* [[Butyrylierung]]
* [[Ubiquitinylierung]]
* [[ADP-Ribosylierung]]
* [[Sumoylierung]]
* [[Carbonylierung]]
* [[Glycosylierung]]
* [[Biotinylierung]]
* cis-trans-Isomerisierung an Prolinen
* Citrullinierung an Argininen

== Histon-Code ==
{{Hauptartikel|Histon-Code}}
Neben dem direkten Einfluss auf die Chromatin-Struktur, wie zum Beispiel durch Acetylierung, scheinen viele Histonmodifikationen nur indirekt Einfluss auf biologische Prozesse zu haben. Die Entdeckung einer Vielzahl von Proteinen, die bestimmte Histonmodifikationen (insbesondere Methylierungen) erkennen können ("Histone Reader"), lassen den Schluss zu, dass viele Modifikationen als Bindestelle für Proteine dienen, die die Information in nachfolgende Prozesse übersetzen. Da jedes Nukleosom eine große Zahl potentieller Modifikationsstellen hat und diese wiederum mehrere verschiedene Modifikationen aufweisen können (z. B. kann ein Lysin unmodifiziert, acetyliert, mono-, di- oder trimethyliert sein), kann ein einzelnes Nukleosom eine enorme Anzahl von verschiedenen Kombinationen besitzen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der ''Histon-Code-Hypothese''. Die Hypothese besagt, dass die Kombination verschiedener Histon-Modifikationen durch bindende Proteine abgelesen und deren Zusammenwirken zu bestimmten biologischen Prozessen führt. Die Richtigkeit dieser Hypothese ist derzeit Gegenstand intensiver Diskussion.

{| class="wikitable sortable zebra"
|+ Beispiel eines Histon-Codes der Histone H3 und H4 (zwangsläufig unvollständig)
|-
! Histon !! Modifikation<ref group="Anm.">Bedeutung der Abkürzungen siehe bei [[#Nomenklatur|Nomenklatur]].</ref> !! Heterochromatin !! Euchromatin !! Kombinatorik und Folgen
|-
| H3 || Lys4me || || + ||
|-
| H3 || Lys9me(1-3) || + || || [[Heterochromatin Protein 1|HP1]]-(PcG-)Bindung<ref group="Anm.">PcG: Polycomb Group Protein</ref>; fördert DNAme, hemmt Ser10p, hemmt generell Lys-ac
|-
| H3 || Lys-ac || || + ||
|-
| H3 || Ser10p || (+)<ref group="Anm.">Wo „+“-Symbole geklammert sind, hängt der Effekt von der Kombinatorik verschiedener Modifikationen ab</ref> || (+) || hemmt Lys9me u.u.; fördert Lys9, 14ac und umgekehrt
|-
| H3 || Lys14ac || || ||
|-
| H3 || Lys27me || || ||
|-
| H3 || Lys36me || || ||
|-
| H4 || Arg3me || + || || EsaI Bindung<ref group="Anm.">Esa1: Acetyltransferase, ein aktivierendes Enzym</ref>; fördert Lys5ac und umgekehrt
|-
| H4 || Lys5ac || || ||
|-
| H4 || Lys12ac || + || ||
|-
| H4 || Lys16ac || || || fördert His18p und umgekehrt
|-
| H4 || His18p || || || hemmt Lys20me
|-
| H4 || Lys20me || || || fördert Lys16ac
|}
<references group="Anm." />

Die Interaktion von Histonen und [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] wird durch Histonmodifikationen gesteuert. Diese Modifikationen können die [[Chromatin]]struktur verändern und so zu Veränderungen der [[Genexpression|Genaktivität]] führen. Somit können diese [[Epigenetik|epigenetischen]] Mechanismen die [[Transkription (Biologie)|Transkription]] einzelner [[Gen]]e oder ganzer Gruppen von Genen beeinflussen.

== Quellen ==
* T. Jenuwein, [[Charles David Allis|C. D. Allis]]: ''Translating the Histone Code'' In: ''Science.'' 293(5532), 2001, S. 1074–1080. PMID 11498575
* B. D. Strahl, C. D. Allis: ''The language of covalent histone modifications.'' In: ''Nature.'' 403(6765), 2000, S. 41–45. PMID 10638745

[[Kategorie:Chromatin]]
[[Kategorie:Epigenetik]]

Histonmodifikation - Versionsgeschichte

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