Histone

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 11. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Histone sind ein Bestandteil der Zellkerne. Ihr Vorhandensein ist ein Unterscheidungsmerkmal zwischen Einzellern (Bakterien) und Vielzellern (Mensch, Tier oder Pflanze). Nur ganz wenige Bakterienstämme besitzen Proteine, die den Histonen ähnlich sind. Die Evolution hat Histone hervorgebracht, um die sehr lange DNA-Kette, auch Erbgut genannt, besser und effektiver in den Zellen höherer Lebewesen unterzubringen. Denn wäre das menschliche Erbgut auseinander gewickelt, so wäre es insgesamt ca. 1-2 m lang, je nachdem in welchem Zellstadium sich eine Zelle befindet.

Was sind Histone?

Histone sind bei der Entstehung eines neuen Lebewesens essentiell. Können aufgrund von Mutationen in den Histongenen, einzelne oder mehrere der Histonproteine nicht gebildet werden, so ist dieser Organismus nicht lebensfähig und die weitere Entwicklung wird frühzeitig beendet.
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In höher entwickelten Lebewesen kommen Histone in den Zellkernen vor und haben einen hohen Anteil an positiv geladenen Aminosäuren (vor allem Lysin und Arginin). Histonproteine werden in fünf Hauptgruppen unterteilt - H1, H2A, H2B, H3 und H4. Zwischen verschiedenen Lebewesen unterscheiden sich die Aminosäure-Sequenzen der vier Gruppen H2A, H2B, H3 und H4 kaum, während bei H1, einem Verbindungshiston, mehr Unterschiede existieren. Bei den zellkernhaltigen roten Blutkörperchen von Vögeln ist H1 sogar komplett ersetzt durch eine andere Histonhauptgruppe, H5 genannt.

Die große Übereinstimmung der Sequenzen bei den meisten Histonproteinen führt dazu, dass bei den meisten Organismen die "Verpackung" der DNA auf die gleiche Weise geschieht und die dabei entstehende dreidimensionale Struktur für die Funktion der Histone gleich effektiv ist. Im Laufe der Evolution muss also die Entwicklung der Histone sehr früh geschehen und so beibehalten worden sein, noch bevor Säugetiere oder Menschen entstanden.

Anatomie & Aufbau

Die acht Histonproteine mit der um sie befindenden DNA bilden den Gesamtkomplex eines Nucleosoms aus. Der DNA-Bereich zwischen zwei Nucleosomen wird Linker-DNA genannt und umfasst ca. 20-80 Nukleotide. Linker-DNA sind verantwortlich für das "Eintreten" und "Austreten" der DNA in den Histonoktamer. Ein Nucleosom besteht damit aus ca. 146 Nukleotiden, einem Linker-DNA-Anteil und acht Histonproteinen, so dass sich die 146 Nukleotide 1,65 mal um das Histonoktamer wickeln.

Weiter ist jedes Nucleosom mit einem H1-Molekül assoziiert, so dass die Eintritts- und Austrittsstelle der DNA durch das Verbindungshiston zusammengehalten werden und die Kompaktheit der DNA zunimmt. Ein Nucleosom hat einen Durchmesser von etwa 10 -30 nm. Viele Nucleosome bilden das Chromatin aus, eine lange DNA-Histon-Kette, die im Elektronenmikroskop wie eine Perlenschnur aussieht. Die Nucleosomen sind die "Perlen", die durch die schnurartige DNA umgeben bzw. verbunden werden.

Etliche Nichthistonproteine unterstützen die Ausbildung der einzelnen Nucleosome bzw. die des gesamten Chromatins, die abschließend die einzelnen Chromosomen bildet, wenn eine Zelle sich teilen soll. Chromosomen sind die maximale Art der Verdichtung des Chromatins und sind während der Kernteilung einer Zelle lichtmikroskopisch erkennbar.

Funktion & Aufgaben

Wie oben erwähnt, sind Histone basische Proteine mit positiver Ladung, so dass sie durch elektrostatische Anziehung mit der negativ geladenen DNA in Wechselwirkung treten. Die DNA "umwickelt" die Histonoktamere so, dass die DNA kompakter wird und in den Zellkern jeder Zelle passt. Dabei hat das H1 die Funktion der Verdichtung der übergeordneten Chromatinstruktur und verhindert meist die Transkription und damit die Translation, also die Übersetzung dieses DNA-Anteils über eine mRNA in Proteine.

Je nachdem ob die Zelle "ruht" (Interphase) oder sich in Teilung befindet, ist das Chromatin weniger oder stark kondensiert, also gepackt. In der Interphase sind große Anteile des Chromatins weniger kondensiert und können daher in mRNAs transkribiert werden, das heißt abgelesen und später in Proteine translatiert werden. So regulieren Histone die Genaktivität einzelner Gene in ihrer Nähe und lassen die Transkription und die Entstehung von mRNA-Strängen zu.

Tritt eine Zelle in die Zellteilung ein, wird die DNA nicht in Proteine übersetzt, sondern gleichmäßig auf die beiden entstehenden Tochterzellen verteilt. Daher wird das Chromatin stark kondensiert, und durch die Histone zusätzlich stabilisiert. Die Chromosomen werden sichtbar und können mithilfe vieler anderer Nichthistonproteine auf die neu entstehenden Zellen verteilt werden.

Krankheiten

Seit einiger Zeit ist jedoch bekannt, dass bei Kindern und Erwachsenen mit diversen bösartigen Gehirntumoren Mutationen in den verschiedenen Histongenen der Tumorzellen auftreten können. Vor allem in sogenannten Gliomen sind Mutationen in den Histongenen beschrieben. Auch wurden in diesen Tumoren verlängerte Chromosomenendstücke entdeckt. Diese, Telomere genannten, Endabschnitte der Chromosomen sind normalerweise für die Langlebigkeit der Chromosomen verantwortlich. In diesem Zusammenhang scheint es so, dass die verlängerten Telomere in den Tumoren mit Histonmutationen diesen entarteten Zellen einen Überlebensvorteil verschaffen.

Mittlerweile sind noch weitere Krebsarten bekannt, die Mutationen in den verschiedenen Histongenen haben und damit mutierte Histonproteine produzieren, die ihre regulierenden Aufgaben nicht oder nur schlecht bewerkstelligen. Diese Erkenntnisse werden aktuell dazu genutzt Therapieformen auch für besonders bösartige und aggresive Tumore zu entwickeln.

Quellen

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