Тетрамер гистонов H3-H4 восстанавливает медь

Несмотря на то, что главная функция гистонов состоит в упаковке геномной ДНК, тетрамер гистонов H3 и H4 содержит сайт связывания ионов меди Cu²⁺, значение которого долгое время оставалось неизвестным. Как сообщается в исследовании, недавно опубликованном в Science, тетрамер H3-H4 в действительности представляет собой оксидоредуктазу, которая связывает ионы Cu²⁺ и восстанавливает их до Cu¹⁺. Одновалентная медь необходима, в частности, для функционирования дыхательной цепи переноса электронов в митохондриях.

Используя рекомбинантные тетрамеры H3-H4 лягушки Xaenopus laevis ученые показали, что in vitro гистоновый тетрамер действительно связывает ионы меди. Более того, при наличии донора электронов тетрамер превращает двухвалентные ионы меди в одновалентные. Способность тетрамера H3-H4 связывать и катализировать восстановление меди исчезает при нагревании и обработке протеазой, а также при введении мутаций в предполагаемый сайт связывания. В частности, на связывание и восстановление меди влияет замена остатка гистидина 113 (H113) в гистоне H3 на аланин (H3H113A), которая ранее была зафиксирована при некоторых видах рака.

Дальнейшие эксперименты, проведенные in vivo, показали, что мутации H3H113A летальны для дрожжей Saccharomyces cerevisiae, однако в случае одновременной замены гистидина 113 на тирозин (Y) или аспарагин (N) в двух копиях гена, кодирующего гистон H3, получался жизнеспособный, хотя и медленно растущий штамм дрожжей. Так как замена на тирозин оказывала более выраженный негативный эффект, чем замена на аспарагин, для дальнейших экспериментов in vivo был выбран штамм, несущий двойную мутацию H3H113N.

Чтобы оценить, в каком состоянии находится пул ионов Cu¹⁺ у дрожжей с двойной мутацией H3H113N, ученые измеряли активность транскрипционного фактора Mac1, работу которого ионы Cu¹⁺ ингибируют, а также транскрипционного фактора Cup2, который, напротив, активируется ионами Cu¹⁺. В эксперименте in vivo выводы, полученные in vitro, подтвердились: тетрамер H3-H4 необходим для генерации ионов Cu¹⁺. Кроме того, было показано, что мутации H3H113 оказывают непосредственное влияние на процесс дыхания в митохондриях, хотя структура хроматина существенно не изменялась. Уменьшение пула Cu¹⁺, вызванное мутациями H3H113, также сказывалось на работе зависимых от меди и цинка супероксиддисмутаз, таких как Sod1.

Авторы работы показали, что мутация H3A110C (замена остатка аланина 110 на цистеин), в отличие от H3H113A, увеличивает эффективность тетрамера H3-H4 как оксидоредуктазы меди и приводит к увеличению внутриклеточного пула Cu¹⁺, что, в частности, увеличивает выживаемость дрожжей при сублетальных концентрациях цианида калия.

Исследователи предполагают, что наличие ферментативной активности у тетрамера H3-H4 может объяснить, почему архейный предок эукариот обзавелся именно тетрамерными гистонами. Оксидоредуктазная активность тетрамеров гистонов могла быть необходимой для функционирования дыхательной цепи переноса электронов в древних митохондриях.