The chromatin of all higher eukaryotic cells contains a group of very basic low-mole-cular weight proteins, the histones. But much less is known about histones in lower eukaryotes. Our purpose was to study the histones of the genus Rhizopus. After isolation and purification of nucleoprotein the basic nucleoproteins were analyzed by gel electrophoresis, in sodium dodecyl sulfate as well as acid/urea gels and compared with calf thymus histones. Their electrophoretic mobility in polyacrylamide gel indicate that they are histone homologous, although not identical, to the H2A, H2B, H3 and H4 histones of mammals with the exception of H1. The result suggests that Rhizopus thus appears to contain histone proteins which are homologous to the histones from in higher eukaryotes. The similarity between the calf thymus histone H1 and the Rhizopus high band group remains to be discussed.
BirA ligase is a prokaryotic ortholog of holocarboxylase synthetase (HCS) that can biotinylate proteins. This study tested the hypothesis that BirA ligase catalyzes the biotinylation of eukaryotic histones. If so, this would mean that recombinant BirA ligase is a useful surrogate for HCS in studies of histone biotinylation. The biological activity of recombinant BirA ligase was confirmed by enzymatic biotinylation of p67. In particular, it was found that BirA ligase biotinylated both calf thymus histone H1 and human bulk histone extracts. Incubation of recombinant BirA ligase with H3-based synthetic peptides showed that lysines 4, 9, 18, and 23 in histone H3 are the targets for the biotinylation by BirA ligase. Modification of the peptides (e.g., serine phosphorylation) affected the subsequent biotinylation by BirA ligase, suggesting crosstalk between modifications. In conclusion, this study suggests that prokaryotic BirA ligase is a promiscuous enzyme and biotinylates eukaryotic histones. Moreover the biotinylation of histones by BirA ligase is consistent with the proposed role of human HCS in chromatin.
Poly-ADP-ribosylation (PAR) is a post-translational modification of mainly chromosomal proteins. It is known to be strongly involved in several molecular events, including nucleosome-remodelling and carcinogenesis. In this investigation, it was attempted to evaluate PAR level as a reliable biomarker for early detection of cancer in blood lymphocyte histones. PAR of isolated histone proteins was monitored in normal and dimethylnitrosamine (DMN)-exposed mice tissues using a novel ELISA-based immuno-probe assay developed in our laboratory. An inverse relationship was found between the level of PAR and period of DMN exposure in various histone proteins of blood lymphocytes and spleen cells. With the increase in the DMN exposure period, there was reduction in the PAR level of individual histones in both cases. It was also observed that the decrease in the level of PAR of histones resulted in progressive relaxation of genomic DNA, perhaps triggering activation of genes that are involved in initiation of transformation. The observed effect of carcinogen on the PAR of blood lymphocyte histones provided us with a handy tool for monitoring biochemical or physiological status of individuals exposed to carcinogens without obtaining biopsies of cancerous tissues, which involves several medical and ethical issues. Obtaining blood from any patient and separating blood lymphocytes are routine medical practices involving virtually no medical intervention, post-procedure medical care or trauma to a patient. Moreover, the immuno-probe assay is very simple, sensitive, reliable and cost-effective. Therefore, combined with the ease of preparation of blood lymphocytes and the simplicity of the technique, immuno-probe assay of PAR has the potential to be applied for mass screening of cancer. It appears to be a promising step in the ultimate goal of making cancer detection simple, sensitive and reliable in the near future.
Kang, Yujin;Cho, Carol;Lee, Kyung Suk;Song, Ji-Joon;Lee, Ja Yil
Molecules and Cells
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v.44
no.2
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pp.79-87
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2021
Chromatin dynamics is essential for maintaining genomic integrity and regulating gene expression. Conserved bromodomain-containing AAA+ ATPases play important roles in nucleosome organization as histone chaperones. Recently, the high-resolution cryo-electron microscopy structures of Schizosaccharomyces pombe Abo1 revealed that it forms a hexameric ring and undergoes a conformational change upon ATP hydrolysis. In addition, single-molecule imaging demonstrated that Abo1 loads H3-H4 histones onto DNA in an ATP hydrolysis-dependent manner. However, the molecular mechanism by which Abo1 loads histones remains unknown. Here, we investigated the details concerning Abo1-mediated histone loading onto DNA and the Abo1-DNA interaction using single-molecule imaging techniques and biochemical assays. We show that Abo1 does not load H2A-H2B histones. Interestingly, Abo1 deposits multiple copies of H3-H4 histones as the DNA length increases and requires at least 80 bp DNA. Unexpectedly, Abo1 weakly binds DNA regardless of ATP, and neither histone nor DNA stimulates the ATP hydrolysis activity of Abo1. Based on our results, we propose an allosteric communication model in which the ATP hydrolysis of Abo1 changes the configuration of histones to facilitate their deposition onto DNA.
The nucleosomal organization of chromatin using histone proteins is a fundamental and ubiquitous feature of eukaryotic nuclei, with the major exception of dinoflagellates. Although a number of recent genomic and transcriptomic analyses have detected numerous histone genes in dinoflagellates, little is known about their expression. Here in, we aimed to investigate the expression pattern of histone genes under nutritional stress, and an attempt was made to detect histone expression at the protein level in Alexandrium pacificum. The presence of histones at the mRNA level was confirmed in this study by the amplification, cloning, and sequencing of 10 different genes. Relative expression profiling of these genes under different growth conditions was determined with real-time PCR and revealed considerable levels of histone transcription in nutritionally stressed cells. We were unable to detect the expression of histones at the protein level even after immunodetection and analysis using mass spectrometry, although a histone-like protein was detected as a major nuclear component. A. pacificum expresses multiple variants of histone, and protein sequences revealed both conservation and divergence with respect to other eukaryotes. We concluded that A. pacificum maintained an active transcription of histone genes within the cell, and enhanced expression of histone genes in nutritional stress strongly suggest that histones have functional significance in dinoflagellates, although expression at the protein level was below our current detection limits, which suggests a limited role of histones in DNA packaging. Finally, the plausible regulation of histone expression at the gene and protein levels in A. pacificum is discussed.
Faithful and accurate replication of the DNA molecule is essential for eukaryote organisms. Nonetheless, in the last few years it has become evident that inheritance of the chromatin states associated with different regions of the genome is as important as the faithful inheritance of the DNA sequence itself. Such chromatin states are determined by a multitude of factors that act to modify not only the DNA molecule, but also the histone proteins associated with it. For instance, histones can be posttranslationally modified, and it is well established that these posttranslational marks are involved in several essential nuclear processes such as transcription and DNA repair. However, recent evidence indicates that posttranslational modifications of histones might be relevant during DNA replication. Hence, the aim of this review is to describe the most recent publications related to the role of histone posttranslational modifications during DNA replication.
SET (Suppressor of variegation, Enhancer of zeste, and the Trithorax) domain-containing proteins are known to have methyltransferase activity at lysine residues of histone proteins. In this study, we identified a novel SET domain-containing protein from mouse and named Kodo7. Indeed, Kodo7 has methyltransferase activity at K9 residue of the H3 protein as demonstrated by a histone methyl-transferse activity assay using GST-tagged Kodo7. Confocal microscopy showed that Kodo7 is co-localized with histones in the nucleus. Interestingly, ectopic expression of Kodo7 by transient transfection induced cell death and treatment of the transfectants with a caspase-3 inhibitor, Ac-DEVD-AFC decreased Kodo7-induced apoptosis. These results suggest that Kodo7 induces apoptotic cell death through increased methylation of histones leading to transcriptional repression.
Histone deacetylase (HDACs) is an enzyme family that deacetylates histones and non-histones protein. Availability of crystal structure of HDAC8 has been a boosting factor to generate target based inhibitors. Hydroxamic class is the most studied one to generate potent inhibitors. HDAC class I and class II enzymes are emerging as a therapeutic target for cancer, diabetes, inflammation and other diseases. DNA methylation and histone modification are epigenetic mechanism, is important for the regulation of cellular functions. HDACs enzymes play essential role in gene transcription to regulate cell proliferation, migration and death. The aim of this article is to provide a comprehensive overview about structure and function of HDACs enzymes, histone deacetylase inhibitors (HDACi) and HDACs enzymes as a therapeutic target for cancer, inflammation and diabetes.
We isolated histone-type basic proteins from lemna paucicostata for the first time. Basic proteins were extracted directly with dilute mineral acids from homogenized lemna paucicostata. Amino acid compositions of basic protein portions adsorbed on Amberlite CG-50(at pH 6. 0) were resembled to those of calf thymus histones. Especially, lysine content was the greatest of the other amino acids. By chromatographic studies, adsorbed portions of basic protein components on carboxymethyl cellulose column(at pH 4. 2) were shown to be homogeneous to calf thymus histones, however, the area under the individual curve was different, and furthermore, the containing of a non-adsorbed portion in the large extent was markedly different from calf thymus histones. And amino acid compositions of adsorbed portions represented the histone-type basic propertes, but non-adsorbed portions were considered as a different protein compared with the typical histone. When calf thymus histone and protein components separated from lemna paucicostata were heated($60^{\circ}C$) with a solution of $HgSO_4-H_2SO_4$, precipitates were not obtained.
Fertilized egg, by successive cell divisions, differentiates into different tissues and organs with various structures and functions. Different cells and tissues contain different proteins, products of selective gene expression. Not all the genes in any genomes are equally active, temporal and spatial gene expression being the general rule. Present paper attempts to review the tanscriptional mechanisms or the initiations of transcription from several angles. In some of the organisms the genes in the process of transcription or the genes in the inactive state can be seen under the light microscope. Some bands of Drosophila polytene chromosomes may exhibit a swollen or puff appearance under certain conditions. A puff, unfolded or decondensed form of chromomere, represents sets of intense transcriptional activity or RNA synthesis. The heterochromatic X chromosome whose genes remain inactive in the female mammals can be visualized as a dark staining structure called Barr body, Configuration of chromatin differs between transcribed and nontranscribed chromatin. Modification to the chromatin facilitates RNA synthesis. The movement of large polymerase molecule along the DNA would probably be facilitated if some modifications of the chromatin configuration is effected. Methylation of cytosines in CG sequences is associated with inactive genes. Methylation can play a role in determination of mammalian cells during embryogenesis. Demethylation is necessary for the gene to be expressed during development A histone modification that is also known to be correlated with transcriptional capacity of chromatin is acetylation of the lysine residues of the core histones. Chromatin containing a high level of histone acetylation is very sensitive to DNase 1. For the transcription to occur TBP must first bind to the TATA box. Another TF, TF IIB, then binds to the promoter-TBP complex, facilitating the access of RNA polymerase to the transcription initiation site. As recently as eight years ago researchers assumed that histones were irrelevant to the regulation of gene expression. Histones combine with the DNA to form nucleosome of the chromatin. Histones are vital participant in gene regulation. Histone and basal factors compete for access to TATA box. When DNA is exposed to basal factors before histones are introduced, the basal factors assemble on TATA boxes preventing the access of histones, allowing transcription to occur, for transcription to begin, activator protein at the upstream activation sequence or enhancer must interact with the tail of histone H4 at TATA box and cause the histone role particle to dissociate from the TATA box leading to partial breakup of the histone core particle and allowing the basal factors to bind to the TATA box. New concept of genomic flux in contrast to the old concept of static genome has been developed based on the powerful new molecular techniques. Genomic changes such as repetitive DNAs and transposable elements, it is assumed but not yet proved, may affect some of the developmental patterns that characterize particular cells, tissues, organs, and organisms. In the last decade or so remarkable achievement have been made in the researches of the structures and functions of TFs and the specific target sequences located in promoters or enhancers where these TFs bind. TFs have independent domains that bind DNA and that activate transcription. DNA binding domain of TFs serves to bring the protein into the right location. There are many types of DNA binding domains. Common types of motifs can be found that are responsible for binding to DNA. The motifs are usually quite short and comprise only a small part of the protein structure. Steroid receptors have domains for hormone binding, DNA binding, and activating transcription. The zinc finger motif comprises a DNA binding domain. Leucine zipper consist of a stretch of amino acids with a leucine residue in every seventh position Two proteins form a dimer because they interact by means of leucine zippers on similar α-helical domain. This positions their DNA binding basic domains for interaction with the two halves of a DNA sequence with dyad symmetry of TGACTCA, ACTGAGT.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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