Aneuploidsus

Aneuploidsus on mutatsioon, mille puhul on rakus ebanormaalne arv kromosoome. Üleliigne või puuduv kromosoom on geneetiliste anomaaliate sagedaseks põhjuseks. Lisaks on ka mõnedel vähirakkudel ebanormaalne arv kromosoome. Aneuploidsus tekib, kui rakujagunemise käigus ei jagune kromosoomid kahe raku vahel õigesti.

Kromosoomianomaaliad tekivad 1 juhul 160 sünnist. See juhtub tavaliselt siis, kui rakus algab tsütokinees enne karüokineesi lõppemist. Enamikul aneuploidsuse juhtudest peatub loote areng, aga on võimalus aneuploidse organismi sünniks. Kõige tavalisemalt on sündinutel lisakromosoom 21., 18., või 13. kromosoomi paaris.

Eri liikidel on erinev arv kromosoome ja seega termin "aneuploidus" tähendab, et kromosoomide arv on ebanormaalne vastava liigi jaoks.

Terminoloogia

Kromosoomistikku, milles on normaalsest erinev arv kromosoome, nimetatakse heteroploidseks. Õige kromosoomide arvuga kromosoomistikku nimetatakse euploidseks.

Kromosoomide arv	Nimetus	Kirjeldus
1	monosoomia	Monosoomia tähendab, et normaalsest kromosoomistikust on üks kromosoom puudu. Osaline monosoomia võib esineda balansseerimata translokatsioonide või deletsioonide puhul (ainult osa kromosoomist on ühekordselt). Sugukromosoomide monosoomia (45, X) põhjustab Turneri sündroomi
2	disoomia	Disoomia on kahe kromosoomi olemasolu. Organismidel, kellel on kaks kromosoomi kromosoomikomplektis (diploidsed), on see normaalne olek, näiteks inimesed. Organismidel, kelle kromosoomikomplektis on kolm või rohkem kromosoomi, on disoomia aneuploidne kromosoomistik. Uniparentaalse disoomia puhul tulevad mõlemad kromosoomid ühelt vanemalt (teiselt vanemalt kromosoomi ei pärita)
3	trisoomia	Trisoomia tähendab kolme kromosoomi olemasolu normaalse kahe asemel. Lisakromosoomi 21. paaris, mis esineb Downi sündroomi puhul, nimetatakse trisoomia 21-ks. Inimestes on veel levinud trisoomia 18 ja trisoomia 13, mida nimetatakse vastavalt Edwardsi sündroomiks ja Patau sündroomiks. Lisaks on ka võimalik sugukromosoomide trisoomia (47, XXX), (47, XXY) ja (47, XYY)
4 või 5	tetra- või pentasoomia	Tetrasoomia ja pentasoomia on nelja või viie kromosoomi olemasolu ühes kromosoomikomplektis. Seda juhtub autosoomide puhul harva, aga inimestel on esinenud sugukromosoomide tetrasoomiat ja pentasoomiat (XXXX, XXYY, XXXXX, XXXXY ja XYYYY)[4]

Tekkemehhanismid

Kromosoomide vale jaotumine mitoosi käigus on põhjustatud nõrgestatud mitootilistest kontrollpunktidest. Mitootilised kontrollpunktid lõpetavad või lükkavad edasi raku jagunemise, kuni kõik raku osad on valmis järgmisse faasi minema. Kui kontrollpunkt on nõrgenenud, siis näiteks ei pruugi rakk tähele panna, et kromosoomide paar ei ole liikunud raku keskele. Sel juhul jaotuks enamik kromosoome normaalselt (üks kromatiid igas rakus), aga osa kromosoomidest ei eralduks üldse. Viimasel juhul tekiks üks tütarrakk puuduva kromosoomiga ja teine tütarrakk üleliigse kromosoomiga.

Mitootilised kontrollpunktid võivad olla ka täielikult peatunud ning lõpetada kromatiidide lahknemise mitmetes kromosoomides korraga.

Multipolaarsus on olukord, kui rakus on rohkem kui kaks mitoositsentrit. Sellise mitootilise jagunemise tulemusel tekib üks rakk iga mitoositsentri kohta ning igal rakul on ettearvamatu kromosoomistik.^[5]

Monopolaarsuse korral tekib ainult üks mitoositsenter. Selle tulemusel tekib üks tütarrakk, millel on kromosoome topelt.

Vahepealne tetraploid võib tekkida monopolaarse jagunemise mehhanismi korral. Sel juhul on rakus kromosoome tavalise rakuga võrreldes topelt. Tekib topeltarv mitoosipoolusi ja moodustub neli tütarrakku. Tütarrakkudes on normaalne arv kromosoome, kuid etteaimamatu kromosoomistik.

Somaatiline mosaiiksus närvisüsteemis

Somaatiliseks mosaiiksuseks nimetatakse olukorda, kus kromosoomide arv erineb tavalistest ainult osal indiviidi rakkudest. Üldiselt on mosaiikse aneuploidsusega inimestel antud haiguse kergem vorm, võrreldes täieliku trisoomiaga inimestega. Paljude autosoomsete trisoomiate puhul jäävad ellu vaid mosaiiksed juhud. Mosaiikset aneuploidsust esineb imetajate ajudes olevates rakkudes. Normaalse inimese ajust (proovid võeti kuuelt 2–86-aastaselt inimeselt) on leitud 21. kromosoomi mosaiikset aneuploidsust (keskmiselt 4% analüüsitud neuronitest). See madalatasemeline aneuploidsus tekib neuraalsetes eellasrakkudes. Antud aneuploidsust põhjustab defekt kromosoomide lahknemises raku jagunemise ajal ja selle defekti tulemusena tekivad vigase kromosoomistikuga neuronid, mis lülituvad tavalisse süsteemi.

Somaatiline mosaiiksus vähi korral

Aneuploidsus on omane mitmetele onkogeneesi ehk vähitekke tüüpidele ning esineb peaaegu kõigi vähi vormide korral. Somaatilist mosaiiksust leidub pea kõigis vähirakkudes, sh trisoomia 12 kroonilise lümfoidse leukeemia (KLL) ja trisoomia 8 ägeda müeloidse leukeemia (AML) rakkudes. Viimased kaks vähirakkude mosaiikse aneuploidsuse vormi tekivad teistsuguste mehhanismide kaudu, kui neid võrrelda teiste vähi vormide tekkemehhanismidega. Näiteks kromosoomide ebastabiilsusega, mille põhjuseks on vähirakkude mitootilise jagunemise defektid. Ka vigased mitootilised kontrollpunktid on onkogeensete protsesside põhjuseks ja võivad viia aneuploidsuseni. p53 kaotus põhjustab genoomset ebastabiilsust, mis sageli põhjustab genotüübis aneuploidsust. 

Uuringud näitavad, et aneuploidsus põhjustab otseselt kartsinogeneesi, segades vahele täiskasvanud tüvirakkude 

asümmeetrilisele jagunemisele. Erinevate tekkemehhanismide tõttu uuritakse kõiki aneuploidsust põhjustavaid molekulaarsed protsesse, et leida vähile ravim.

Aneuploidsust põhjustavad tegurid

Mitmed mutageensed kantserogeenid põhjustavad aneuploidsust. Näiteks röntgenikiired lõhuvad kromosoomi tükkideks või võivad muuta mitoositsentri aparaati ning põhjustavad sellega aneuploidsust. Muud kemikaalid (näiteks kolhitsiin) võivad põhjustada aneuploidsust mikrotuubulite 

polümerasitsiooni rikkumisega.

Inimese kromosoomid

Igas normaalses inimese rakus on 23 paari kromosoome (kokku 46), välja arvatud erütrotsüütides ja haploidsetes 

gameetides. Igast paarist üks kromosoom päritakse isalt ja teine emalt. Karüotüübis on esimesed 22 kromosoomi paari (autosoomid) nummerdatud ühest kahekümne kaheni ja järjestatud suuremast väiksemani. 23. kromosoomide paar on sugukromosoomid. Tervel naisel on kaks X-kromosoomi ning tervel mehel üks X-kromosoom ja üks Y-kromosoom.

Normaalse mehe karüotüüp

Meioosi käigus sugurakud jagunevad ja mõlemal tekkinud poolel peaks olema sama arv kromosoome. Vigase meioosi korral võib sattuda terve paar kromosoome ühte gameeti ja teise gameeti ei jää ühtegi kromosoomi.

Enamus embrüoid ei ela kromosoomi puudumist või üleliigsust üle ja nende areng peatub. Kõige tavalisem aneuploidsus inimestel on trisoomia 16, kuigi selle kromosoomi anomaalia täieliku vormiga looted ei jää ellu. Ellu jäävad osalise trisoomia 16-ga sündinud lapsed, kelle mõnedes rakkudes on 16. paaris kolmas kromosoom, aga mitte kõigis rakkudes. Kõige sagedasemalt suudavad vastsündinud üle elada trisoomia 21, mis põhjustab Downi sündroomi. Selle tõenäosus on 1 juhtum 660 sünnist. Trisoomia 18 (Edwardsi sündroom) tekib 1 sünd 10 000 kohta ja trisoomia 13 (Patau sündroom) 1 sünd 10 000 kohta. 10% trisoomia 18 või trisoomia 13-ga vastsündinutest elab üheaastaseks.

Diagnoos

Näide trisoomia 7 ja trisoomia 19 kohta, mis tehti kindlaks fluorestseeruva in situ hübridisatsiooni (FISH) abil

Suguliselt päritavat aneuploidsust saab diagnoosida karüotüpeerimisega. Selle protsessi käigus rakuproov fikseeritakse ja värvitakse, et tekiks tüüpiline kromosomaalsete vöötide muster ning seda pilti analüüsitakse. Kasutusel on ka teisi tehnikaid: Fluorestseeruv in situ hübridisatsioon (FISH), lühikeste üksteise järel paiknevate korduste kvantitatiivne PCR, kvantitatiivne fluorestseeruv PCR (QF-PCR), kvantitatiivne PCR doosi analüüs, üksiku nukleotiidi polümorfismide kvantitatiivne massispektromeetria ja võrdlev genoomne hübridisatsioon (CGH).

Antud teste saab ka enne sündi teha. Need näitavad, kas lootes esineb aneuploidsust või mitte. Selleks viiakse läbi amniotsentees ehk looteveeuuring või koorioni biopsia. 35-aastastel või vanematel rasedatel naistel soovitatakse teha sünnieelset diagnostikat, sest kromosomaalse aneuploidsuse tõenäosus tõuseb ema vanusega. Viimasel ajal on tekkinud uurimiseks uued ja lihtsamad meetodid, mille abil saadakse loote geneetiline materjal ema verest.

Tüübid

Legend

Värv	Olulisus
	Surmav
	Normaalse emase fenotüüp
	Normaalse isase fenotüüp
	Turneri sündroom (anomaaliaga emane)
	Klinefelteri sündroom (anomaaliaga isane)

Suguline

	0	X	XX	XXX	XXXX	XXXXX
0	00	X0	XX	XXX	XXXX	XXXXX
Y	Y0	XY	XXY	XXXY	XXXXY	XXXXXY
YY	YY	XYY	XXYY	XXXYY	XXXXYY	XXXXXYY
YYY	YYY	XYYY	XXYYY	XXXYYY	XXXXYYY	XXXXXYYY
YYYY	YYYY	XYYYY	XXYYYY	XXXYYYY	XXXXYYYY	XXXXXYYYY
YYYYY	YYYYY	XYYYYY	XXYYYYY	XXXYYYYY	XXXXYYYYY	XXXXXYYYYY

Legend

Värv	Olulisus
	Juhtum, kus täieliku trisoomiaga isend ei jää ellu
	Juhtum, kus täieliku trisoomiaga isend võib jääda ellu
	Juhtum, kus täieliku trisoomiaga isend jääb alati ellu

Autosoomne

#	Monosoomia	Trisoomia
1		Trisoomia 1
2		Trisoomia 2
3		Trisoomia 3
4	Wolf-Hirschhorni sündroom	Trisoomia 4
5	Cri du chat 5q deletsiooni sündroom	Trisoomia 5
6		Trisoomia 6
7	Williamsi sündroom	Trisoomia 7
8		Trisoomia 8
9		Trisoomia 9
10		Trisoomia 10
11	Jacobseni sündroom	Trisoomia 11
12		Trisoomia 12
13		Patau sündroom
14		Trisoomia 14
15	Angelmani sündroom Praderi-Willi sündroom	Trisoomia 15
16		Trisoomia 16
17	Milleri-Diekeri sündroom Smithi-Magenisi sündroom	Trisoomia 17
18	18q deletsiooni sündroom	Edwardsi sündroom
19		Trisoomia 19
20		Trisoomia 20
21		Downi sündroom
22	DiGeorge'i sündroom	Kassisilma sündroom Trisoomia 22

Triploidsus

Triploidsus on liigiomase kromosoomikomplekti kolmekordsus indiviidi (raku) kromosoomistikus.

Polüploidsus

Polüploidsus (inglise polyploidy) on indiviidi (raku) kromosoomikomplektide paljukordsus; haplofaasis (sugurakkudes) on kromosoomikomplekte rohkem kui üks (n > x) ja diplofaasis (viljastatud munarakkudes) rohkem kui kaks, tähistatakse (2n > 2x).

Polüploidsuse astet määratletakse diplofaasi kromosoomistiku kordsuse kaudu. Nõnda saab tuletada tri-, tetra-, heksa-, oktaploidsust ja nii edasi.

Polüploidsus on laialt levinud taimeriigis, loomariigis harva. Inimesele on polüploidsus reeglina surmav. Üliharva on sündinud ka triploidsusega lapsi.

Nähtust, kus ainult osa organismi (näiteks mõne koe või elundi) rakkudest on polüploidsed, nimetatakse polüsomaatiaks. See on paljude organismide (kaasa arvatud inimese) puhul normaalne nähtus.

Haplodiploidsus

Haplodiploidsus (inglise haplodiploidy) tähendab, et ühe soo organismidel on haploidsed rakud ja teisel sool diploidsed rakud.

Kõige sagedamini on isastel haploidsed rakud ja emastel diploidsed rakud (kuid võib olla ka vastupidi). Sellistel liikidel on isased arenenud viljastamata munadest ja emased viljastatud munadest. Haplodiploidsust on leitud putukate hulgast, eriti sipelgate, mesilaste ja herilaste seast.

Ploidsus

Ploidsus (inglise ploidy) on samatüübiliste ehk homoloogiliste kromosoomide või liigiomaste kromosoomikomplektide kordsus indiviidi (raku) kromosoomistikus.

Enamiku eukarüootsete organismide elutsüklis vahelduvad kahekordselt erinevad ploidsusfaasid – gameetne haplofaas ja sügootne diplofaas.

Lähte kromosoomikomplekti arvu organismis kutsutakse monoploidsuse arvuks, mida tähistatakse "x"-ga. Rakkude ploidsus võib muutuda organismis. Inimesel on valdav osa rakke diploidsed (üks kromosoomikomplekt pärineb emalt ja teine isalt), aga sugurakud (spermid ja munarakud) on haploidsed.

Haplo- ja diploidsuse vahepealne juht on haplodiploidsus, mille korral ühe soo organismidel on haploidsed rakud ja teisel sool diploidsed rakud. Kõige sagedamini on isastel haploidsed rakud ja emastel diploidsed rakud.

Lisaks nendele kolmele ploidsuse tüübile võib kromosoomikomplekt olla mitmes kordsuses (üle kahe; polüploidsus)), ebavõrdses kordsuses (aneuploidsus) või võrdkordsuses (euploidsus).

Euploidsus

Euploidsus (inglise euploidy) on kromosoomistiku võrdkordsus, genoomi kõigi kromosoomide (erandiks võivad olla sugukromosoomid) võrdne arv indiviidil (rakus).

Euploidsuse vastand on aneuploidsus.

Genoom

Genoom on ühes liigiomases kromosoomikomplektis (haploidne kromosoomistik) sisalduv geneetiline materjal. Genoomi iseloomustatakse kromosoomide arvu ja tüüpide, DNA koguse, DNA nukleotiidjärjestuse tüüpide, geenide arvu ja vastastikuse paiknemise ja teiste taoliste tunnuste kaudu.

Inimese genoomi moodustavad 24 kromosoomi: 22 autosoomi ja 2 gonosoomi, X ja Y. Inimese haploidne (sugurakkude) genoom koosneb seega 23-st kromosoomist; keharakud (somaatilised rakud) on aga diploidsed, st neis on 46 kromosoomi. Igas organismi diploidses rakus (välja arvatud punastes verelibledes) sisaldub kaks kogu organismi genoomi.

Genoomi mõistet kasutatakse ka rakuorganellide geneetilise struktuuri tähistamiseks, näiteks mitokondrigenoom ja 

plastiidigenoom.

Genoommutatsioonid

Genoommutatsioonid tähendavad indiviidi normaalse liigiomase kromosoomistiku arvuline muutus, kas kogu kromosoomikomplekti kordne muutus

1. euploidsus
2. polüploidsus

või üksikute kromosoomide arvu muutus

1. aneuploidsus

Genoommutatsioonid on omased lihtsamatele organismidele, peamiselt taimed ja seened. Loomadel esineb g-mutatsioone harvem ja nende olemus on piiratud. Mõned autosoomid võivad esineda 3-kordsuses. Sugukromosoomide arvu muutusega võib esineda naistel (X, XXX, XXXX jne), meestel (XYY, XXY, XXXY)

Genoommutatsioonide tekkepõhjused

• Endomitoos
• Viljastumisel osaleb diploidne gameet
• Ristuvad erineva kromosoomi arvuga vanemad
• Häired meioosis

Levinud on ka inimeste poolt tahtlikult muudetud taimede kromosoomide üldarvu muutus, nn polüploidid. See põhjustab teatud taimedel saagikuse suurenemist.

Geeni avaldumine

Geeniekspressioon ehk geeni avaldumine ehk geeni ekspressioon on organismi geneetilise info avaldumine – protsess, mille käigus geenides sisalduv pärilik materjal avaldub RNA või valguna. Kitsamalt on see mingi konkreetse geeni põhjal läbi erinevate vaheetappide valgu sünteesimine.

Geeniekspressioonil on kolm olulisemat etappi: geenist mRNA jäljendi loomine ehk transkriptsioon; mRNAst mittevajalike osade – intronite väljalõikamine ehk splaising; mRNA põhjal ribosoomides valguahela sünteesimine ehk translatsioon.

Ekspressiooni mehhanismid

Geeni ekspressiooni algsaadus on DNA, vahesaadus RNA ja lõppsaadus on valk.

Transkriptsioon on RNA süntees DNA maatritsilt.

Translatsioon on ribosoomides mRNA põhjal valguahela süntees.

Ekspressiooni regulatsioon

Organismi erinevate rakkude DNA on üldjuhul identne. Kuid kui võrrelda omavahel ühe organismi erinevaid rakutüüpe, siis on raske uskuda, et nii erinevad rakud võivad sisaldada täpselt samasuguseid geene. Bioloogid arvasidki algselt, et diferentseerumise käigus kaotab rakk selektiivselt osa oma geenidest. Tänapäeval on selgunud, et rakkude diferentseerumine on üldjuhul hoopis geenide valikulise ekspressiooni tulemus. Hulkrakses organismis esinev rakutüüpide mitmekesisus on põhjustatud sellest, et rakkude samasuguselt DNA-lt sünteesitakse erinevates rakkudes erinevaid RNA ja valkude molekule.

Informatsioon DNA-lt valguni kandub mitme etapina, kõiki neid etappe on võimalik reguleerida. Rakk võib oma aktiivsete valkude tootmist kontrollida järgmistel viisidel:

• kontrollides, kui sageli ja millal transkribeeritakse vastavat geeni – kontroll transkriptsiooni tasemel
• kontrollides, kuidas toimub primaarse transkripti splaising või mõni muu modifikatsioon – kontroll RNA protsessingu tasemel
• kontrollides, milliseid tuumas toodetud mRNA molekule viiakse tsütoplasmasse, kus toimub valkude süntees – kontroll RNA transpordi tasemel
• kontrollides, milliste tsütoplasmas leiduvate mRNA molekulide kaasabil toodetakse ribosoomides valke – kontroll translatsiooni tasemel
• selektiivselt lagundades mõnesid mRNA molekule tsütoplasmas – kontroll mRNA degradatsiooni tasemel
• selektiivselt aktiveerides või inaktiveerides toodetud valke või transportides neid erinevatesse raku osadesse – posttranslatsiooniline kontroll

Geeni ekspressiooni reguleerimine annab rakule kontrolli struktuuri ja funktsiooni üle, see on raku diferentseerumise, morfogeneesi, paindlikkuse ja kohastumise aluseks.

Organell

Organell on eri talitlusega rakuosa, mis on ümbritsetud sisemembraaniga. Organellid on näiteks mitokondrid, kloroplastid, plastiidid. Organelle leidub kõigi eukarüootide rakkudes. Prokarüootidel organellid enamasti puuduvad. Organellid on arvatavasti endosümbiootilise päritoluga.

Lisaks organellidele on rakkudes muid spetsialiseeritud talitlusega osi, mida nimetatakse organoidideks ja mis pole rakutaolise ehitusega. Sellised on näiteks viburid, vakuoolid, ribosoomid ja teised.

Histoonid

Histoonid on väiksed aluselised valgud (koosnevad 102–135 aminohappest), mida leidub eukarüootide tuumas. Need on põhilised kromatiini valgud, mille ümber keerdub DNA ja need mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis. Histoonide funktsiooniks on osaleda DNA kokkupakkimisel, et viimane mahuks rakutuuma. Näiteks inimese iga rakk sisaldab lahtikeeratult umbes 1,8 meetrit DNA-d, aga kui DNA keerdub histoonide ümber, siis moodustunud kromatiini suurus on umbes 90 mikromeetrit.

Skemaatiline joonis, mis näitab, kuidas nukleosoomsed histoonid moodustavad nukleosoomi

Klassifikatsioon

Viis peamist histooni on H1/H5, H2A, H2B, H3 ja H4. Nukleosoomsed histoonid on H2A, H2B, H3 ja H4. H1 ja H5 nukleosoomide vahelise alaga seonduvad histoonid. Nukleosoomi südamiku moodustavad nukleosoomsed histoonid, mida leidub nukleosoomis igat molekuli 2 eksemplari, seega on nukleosoomi südamikus kokku 8 histooni molekuli. Ümber nukleosoomi südamiku kerdub 147 aluspaari pikkune DNA lõik 1,65 korda. Kahe nukleosoomi vahele jääb DNA lõik (5,9 – 7 nm) kuhu seondub histoon H1, mis vastutab DNA pakkimise eest kõrgemat järku struktuuridesse. Histoonide abil kokku pakitud DNA struktuuri nimetatakse kromatiiniks. Kromatiinis on nukleosoomidega DNA pakitud fiibriks, mille läbimõõt on 0,3 mikromeetrit.

Nukleosoomi struktuur

Nukleosoomi südamiku moodustavad kaks H2A-H2B dimeeri ja H3-H4 tetrameer, need kaks dimeeri ja tetrameer moodustavad omavahel peaaegu sümmeetrilised osad. Neljal südamikuhistoonil on suhteliselt sarnane struktuur ja nad on evolutsiooni käigus tugevalt konserveerunud. Kasutades elektronide paramagneetilise resonantsi spinnide märgistamise tehnoloogiat, mõõtsid Briti teadlased nukleosoomide vaheline kauguse, mis on 59 – 70 Å. On olemas viit tüüpi histoon-DNA interaktsioone:

• Heliks-dipool, mis tekib α-heeliksis, DNA, H2B,H3 ja H4 vahel. See interaktsioon põhjustab positiivse laengu kogunemine negatiivselt laetud fosfatrühma kõrval.
• Vesinikside DNA ja histoonide amiidirühma vahel.
• Mittepolaarne interaktsioon histooni ja DNA desoksüriboosi vahel.
• Elektrostaatiline vastastikmõju ja vesinikside aluselise aminohappe (eriti lüsiin ja arginiin) ja DNA fosfaatrühma vahel.
• Mittespetsiifiline H3 ja H2B N-terminaalsete sabade seondumine DNA molekuli väikese vaoga.

Histoonid läbivad post-translatsioonilisi modifikatsioone, millest enamik toimub nende N-terminaalsetel sabadel. Histoonidel esineb erinevaid post-translatsioonilisi modifikatsioone, millest levinumad on metüleerimine, atsetüleerimine, forsforüleerimine, sumoüleerimine, ubikvitineerimine, ADP-ribosüleerimine. Need protsessid osalevad geenide regulatsioonis.

Ajalugu

Histoonid avastas 1884. aastal Albrecht Kossel. Kuni 1990-ndate alguseni arvati, et histoonid on eukarüotse DNA pakkematerjal, sest sel ajal usuti, et transkriptsiooni aktiveerib valk-DNA ja valk-valk interaktsioon koos palja DNAga, nagu bakteris. Michael Grunstein näitas 1980ndatel pärmirakkudega töötades, et eukarüootsed histoonid represseerivad geenide transkriptsiooni ja transkriptsiooni aktivaatorite funktsioon on ületada see repressioon. Tänapäeval teame, et histoonidel on geeniekspressioonis nii positiine kui ka negatiivne roll.

Funktsioon

Post-translatsioonilised modifikatsioonid

Post-translatsioonilised modifikatsioonid mõjutavad histoonide interaktsioone DNA ja tuuma valkudega. Histoonidel H3 ja H4 on pikad sabad, mis ulatuvad nukleosoomist välja ja mida saab mitmest kohast kovalentselt modifitseerida. H2A, H2B ja H3 histoonide puhul on võimalik ka histooni tuumas asuvate aminohapete modifitseerimine. Samal ajal võib toimuda ühel histoonil/nukleosoomil mitu modifikatsiooni ja need kombinatsioonid moodustavad niinimetatud histooni koodi. Erinevad modifikatsioonid mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis, DNA reparatsioonis, kromosoomi kondensatsioonis (mitoos) ja spermatogeneesis (meioos). Histoonide modifikatsioonide kirjeldamiseks kasutatav nomenklatuur:

• Histooni nimi (H3, H4, H2A, H2B, H1)
• Aminohappejäägi nime tähistamiseks kasutatakse suurt tähte (näiteks K-lüsiin) ja number selle järel näitab aminohappejäägi positsiooni valgus.
• Modifikatsiooni tüüp (Me: metüülrühm, P: fosfaatrühm, Ac: atsetüülrühm, Ub: ubikvitiin)
• Modifikatsioonide arv (ainult metülatsiooni kohta: 1,2 või 3 – mono-, di-, tri-metülatsioon)

Histoonide modifikatsioonid transkriptsiooni regulatsioonis:

Modifikatsioonide tüüp	Histoonid
	H3K4	H3K9	H3K14	H3K27	H3K79	H4K20	H2BK5
mono-metülatsioon	aktivatsioon	aktivatsioon	aktivatsioon		aktivatsioon[11][12]	aktivatsioon[11]	aktivatsioon[11]
di-metülatsioon		repressioon		repressioon	aktivatsioon[12]
tri-metülatsioon	aktivatsioon	repressioon		repressioon	aktivatsioon,[12] repressioon[11]		repressioon[13]
atsetülatsioon		aktivatsioon	aktivatsioon

Geenide transkriptsioon

Aktiivse transkriptsiooniga seostatakse tavaliselt kaht histoonide modifikatsiooni:

• H3K4Me3 (histooni H3 lüsiini 4 trimetülatsioon) aktiivsete geenide promootoris.

H3K4 trimetülatsiooni viib läbi COMPASS kompleks. Vaatamata selle kompleksi säilitamisele, ei ole täiesti selge, mis rolli see modifikatsioon mängib transkriptsioonis. See on siiski hea aktiivse promootori märk ja selle histooni modifikatsiooni tase geeni promootoralas on korrelatsioonis geeni transkriptsiooni aktiivsusega.

• H3K36Me3 (histooni H3 lüsiini 36 trimetülatsioon) aktiivse geeni kodeerivas alas.

H3K36 trimetülatsioon toimub tänu ensüümile metüültransferaas SET2. See valk seostub RNA polümeraas II ja H3K36Me3 tähistab aktiivset geeni traskribeerimist. H3K36Me3 märgise tunneb ära Rpd3 histooni deatsetülaasi kompleks, mis eemaldab atsetüülgrupid ümbritsevatelt histoonidelt, aidates seeläbi kromatiini kokku pakkida ning takistab transkriptsiooni algatamist valest kohast. Kromatiini pakkumine takistab transkriptsioonifaktorite juurdepääsu DNA-le ja vähendab uue transkriptsioonitsükli algamise tõenäosust. See protsess aitab seega tagada, et transkriptsioon ei katke.

Geenide represseerimine

Geenide represseerimisega seostatakse tavaliselt kolme histoonide modifikatsiooni:

• Histooni H3 lüsiin 27 trimetülatsioon (H3K27Me3)
• Histoonide H3 lüsiin 9 di- ja trimetülatsioon (H3K9Me2/3)

H3K9Me2/3 on heterokromatiini iseloomustav märge ning see modifikatsioon on tugevalt seotud geeni repressiooniga. Heterokromatiini moodustumist on kõige põhjalikumalt uuritud pärmis Schizosaccharomyces pombe. H3K9Me2/3 toimib seondumise kohana Sw6-le (heterokromatiin 1 või HP1, teine klassikaline heterokromatiini marker), mis omakorda põhjustab repressiooni, olles signaaliks histooni modifikaatoritele, nagu histoonide deatsetülaas ja histoonide metüültransferaas.

• Histooni H3 lüsiin 20 trimetülatsioon (H4K20Me3)

See modifikatsioon on tihedalt seotud heterokromatiiniga, aga selle funktsionaalne tähtsus on siiani ebaselge.

Bivalentsed promootorid

Histoonide modifikatsioonide analüüs embrüonaalsetes tüvirakkudes (ja teistes tüvirakkudes) näitas, et paljude geenide promootorid omavad nii H3K4Me3 kui ka H3K27Me3 modifikatsioone. Teiste sõnadega on promootoritel üheaegselt nii transkriptsiooni aktivatsiooni kui ka repressiooni toetavad histoonide modifikatsioonid. See omapärane kombinatsioon tähistab geene, mis on tasakaalus transkriptsiooniks. Need modifikatsioonid pole vajalikud tüvirakkudele, kuid äärmiselt vajalikud pärast diferentseerumist. Kui rakud hakkavad diferentseeruma, siis bivalentsete promootorite aktivatsiooni või repressiooni kaudu toimub rakkude tüübi määramine. Vastavalt keskkonnast tulevatele signaalidele toimub teatud geenide aktivatsioon või repressioon.

Teised funktsioonid

DNA kahjustus

• Histooni H2AX seriin 139 fosforülisatsioon

Fosforüleeritud H2AX (gamma H2AX) on DNA kaheahelalise kahjustuse marker. H2AX fosforüleeritakse kohe pärast DNA ahelate katke tuvastamist. Siis moodustatakse pikendatud domeen (palju kilobase) kahjustamise kohast mõlemal pool. Gamma H2AX toimib seondumise kohana valku MDC1-ks, mis omakorda värbab DNA parandamises osalevad valgud. Seega moodustab gamma H2AX olulise osa DNA reparatsiooni mehhanismis, mis tagab genoomi stabiilsust.

• Histoonide H3 lüsiin 56 atsetülatsioon (H3K56Ac)

H3K56Ac on vajalik genoomi stabiilsuse tagamiseks. H3K56 atsetüleerib p300/Rtt109 kompleksi. H3 K56 deatsetüleeritakse kiiresti piirkonnas, kus esineb DNA kahjustus. H3K56 atsetülatsioon on vajalik ka replikatsioonikahvlite stabiliseerimiseks.