Τα καρούλια ιστόνης του DNA υποδηλώνουν πώς εξελίχθηκαν τα σύνθετα κύτταρα

Η μοριακή βιολογία έχει κάτι κοινό με τους αγώνες χαρταετού. Στο τελευταίο, όλα τα βλέμματα είναι στραμμένα στις πολύχρωμες, περίτεχνες, άγρια ​​κινητικές κατασκευές που διασχίζουν τον ουρανό. Κανείς δεν κοιτάζει τα ταπεινά καρούλια ή τα καρούλια στα οποία τυλίγονται οι χορδές του χαρταετού, παρόλο που οι εναέριες παραστάσεις εξαρτώνται από το πόσο επιδέξια χειρίζονται αυτά τα καρούλια. Στη βιολογία των πολύπλοκων κυττάρων, ή των ευκαρυωτών, το μπαλέτο των μορίων που μεταγράφουν και μεταφράζουν το γονιδιωματικό DNA σε πρωτεΐνες βρίσκεται στο επίκεντρο, αλλά αυτός ο χορός θα ήταν αδύνατος χωρίς το υποτιμημένο έργο των πρωτεϊνών ιστόνης που συγκεντρώνουν το DNA σε καθαρές δέσμες και αποσυσκευάζουν αρκετά όταν χρειάζεται.

Οι ιστόνες, ως ακροδέκτες της συσκευής για τη ρύθμιση των γονιδίων, παίζουν ρόλο σχεδόν σε κάθε λειτουργία των ευκαρυωτικών κυττάρων. «Για να γίνεις πολύπλοκος, πρέπει να έχεις πολυπλοκότητα γονιδιώματος και να εξελίξεις νέες οικογένειες γονιδίων και πρέπει να έχεις έναν κυτταρικό κύκλο», εξήγησε ο William Martin, εξελικτικός βιολόγος και βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο Heinrich Heine στη Γερμανία. «Και τι υπάρχει στη μέση όλων αυτών; Διαχείριση του DNA σας.”

Νέα εργασία σχετικά με τη δομή και τη λειτουργία των ιστονών σε αρχαία, απλά κύτταρα έχει τώρα καταστήσει τη μακροχρόνια, κεντρική σημασία αυτών των πρωτεϊνών στη γονιδιακή ρύθμιση ακόμη πιο ξεκάθαρη. Πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, τα κύτταρα που ονομάζονταν αρχαία χρησιμοποιούσαν ήδη ιστόνες σαν τις δικές μας για να διαχειριστούν το DNA τους – αλλά το έκαναν με πιο χαλαρούς κανόνες και πολύ μεγαλύτερη ποικιλία. Από αυτές τις ομοιότητες και διαφορές, οι ερευνητές αντλούν νέες γνώσεις, όχι μόνο για το πώς οι ιστόνες βοήθησαν στη διαμόρφωση της προέλευσης της περίπλοκης ζωής, αλλά και για το πώς οι παραλλαγές των ιστονών επηρεάζουν τη δική μας υγεία σήμερα. Ταυτόχρονα, ωστόσο, νέες μελέτες για τις ιστόνες σε μια ασυνήθιστη ομάδα ιών περιπλέκουν τις απαντήσεις σχετικά με το από πού πραγματικά προήλθαν οι ιστόνες μας.

Αντιμετώπιση πολύ DNA

Οι ευκαρυώτες εμφανίστηκαν πριν από περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν ένα βακτήριο που μπορούσε να μεταβολίσει το οξυγόνο για ενέργεια εγκαταστάθηκε μέσα σε ένα αρχαϊκό κύτταρο. Αυτή η συμβιωτική συνεργασία ήταν επαναστατική επειδή η παραγωγή ενέργειας από αυτό το πρωτο-μιτοχόνδριο έκανε ξαφνικά τα γονίδια έκφρασης πολύ πιο προσιτά από μεταβολική άποψη, υποστηρίζει ο Martin. Οι νέοι ευκαρυώτες είχαν ξαφνικά την ελευθερία να επεκτείνουν το μέγεθος και την ποικιλομορφία των γονιδιωμάτων τους και να διεξάγουν μυριάδες εξελικτικά πειράματα, θέτοντας τα θεμέλια για τις αμέτρητες ευκαρυωτικές καινοτομίες που παρατηρούνται στη ζωή σήμερα. «Οι ευκαρυώτες είναι μια αρχαϊκή γενετική συσκευή που επιβιώνει με τη βοήθεια του βακτηριακού ενεργειακού μεταβολισμού», είπε ο Martin.

Αλλά οι πρώιμοι ευκαρυώτες υπέστησαν σοβαρούς πόνους ανάπτυξης καθώς το γονιδίωμά τους επεκτάθηκε:Το μεγαλύτερο γονιδίωμα έφερε νέα προβλήματα που προκύπτουν από την ανάγκη διαχείρισης μιας όλο και πιο δυσκίνητης σειράς DNA. Αυτό το DNA έπρεπε να είναι προσβάσιμο στον μηχανισμό του κυττάρου για τη μεταγραφή και την αντιγραφή του χωρίς να μπλέκεται σε μια απελπιστική μπάλα σπαγγέτι.

Το DNA χρειαζόταν επίσης μερικές φορές να είναι συμπαγές, τόσο για να βοηθήσει στη ρύθμιση της μεταγραφής και της ρύθμισης, όσο και για να διαχωρίσει τα πανομοιότυπα αντίγραφα του DNA κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης. Και ένας κίνδυνος απρόσεκτης συμπύκνωσης είναι ότι οι κλώνοι DNA μπορούν να συνδεθούν αμετάκλητα μεταξύ τους εάν η ραχοκοκαλιά ενός αλληλεπιδρά με το αυλάκι του άλλου, καθιστώντας το DNA άχρηστο.

Τα βακτήρια έχουν μια λύση για αυτό που περιλαμβάνει μια ποικιλία πρωτεϊνών που «υπερτυλίγουν» από κοινού τις σχετικά περιορισμένες βιβλιοθήκες DNA των κυττάρων. Αλλά η λύση διαχείρισης του DNA των ευκαρυωτών είναι η χρήση πρωτεϊνών ιστόνης, οι οποίες έχουν μια μοναδική ικανότητα να τυλίγουν το DNA γύρω τους και όχι απλώς να κολλάνε σε αυτό. Οι τέσσερις κύριες ιστόνες των ευκαρυωτών - H2A, H2B, H3 και H4 - συγκεντρώνονται σε οκταμερή με δύο αντίγραφα από το καθένα. Αυτά τα οκταμερή, που ονομάζονται νουκλεοσώματα, είναι οι βασικές μονάδες της συσκευασίας του ευκαρυωτικού DNA.

Καμπυλώνοντας το DNA γύρω από το νουκλεόσωμα, οι ιστόνες το εμποδίζουν να συσσωρευτεί και το διατηρούν λειτουργικό. Είναι μια έξυπνη λύση — αλλά οι ευκαρυώτες δεν την επινόησαν εντελώς μόνοι τους.

Πίσω στη δεκαετία του 1980, όταν η κυτταρική και μοριακή βιολόγος Kathleen Sandman ήταν μεταδιδακτορική στο Ohio State University, αυτή και ο σύμβουλός της, John Reeve, εντόπισαν και ανέλυσαν την αλληλουχία των πρώτων γνωστών ιστονών στις αρχαίες. Έδειξαν πώς οι τέσσερις κύριες ευκαρυωτικές ιστόνες σχετίζονται μεταξύ τους και με τις αρχαϊκές ιστόνες. Η εργασία τους παρείχε τις πρώιμες ενδείξεις ότι στο αρχικό ενδοσυμβιωτικό συμβάν που οδήγησε σε ευκαρυώτες, ο ξενιστής ήταν πιθανό να ήταν ένα αρχαϊκό κύτταρο.

Αλλά θα ήταν τελεολογικό λάθος να πιστεύουμε ότι οι αρχαϊκές ιστόνες απλώς περίμεναν την άφιξη των ευκαρυωτών και την ευκαιρία να μεγεθύνουν το γονιδίωμά τους. «Πολλές από αυτές τις πρώιμες υποθέσεις εξέτασαν τις ιστόνες ως προς την ικανότητά τους να επιτρέπουν στο κύτταρο να επεκτείνει το γονιδίωμά του. Αλλά αυτό δεν σας λέει πραγματικά γιατί ήταν εκεί εξαρχής», είπε ο Siavash Kurdistani, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες.

Ως πρώτο βήμα προς αυτές τις απαντήσεις, ο Sandman ένωσε τις δυνάμεις του πριν από αρκετά χρόνια με τη δομική βιολόγο Karolin Luger, η οποία έλυσε τη δομή του ευκαρυωτικού νουκλεοσώματος το 1997. Μαζί, επεξεργάστηκαν την κρυσταλλωμένη δομή του αρχαίου νουκλεοσώματος, την οποία δημοσίευσαν με συναδέλφους το 2017. Διαπίστωσαν ότι τα αρχαϊκά νουκλεοσώματα είναι «ασυνήθιστα παρόμοια» στη δομή με τα ευκαρυωτικά νουκλεοσώματα, είπε ο Luger — παρά τις έντονες διαφορές στις πεπτιδικές αλληλουχίες τους.

Τα αρχαϊκά νουκλεοσώματα είχαν ήδη «καταλάβει πώς να δεσμεύουν και να λυγίζουν το DNA σε αυτό το όμορφο τόξο», είπε ο Luger, τώρα ερευνητής του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder. Αλλά η διαφορά μεταξύ των ευκαρυωτικών και των αρχαϊκών νουκλεοσωμάτων είναι ότι η κρυσταλλική δομή του αρχαϊκού νουκλεοσώματος φαινόταν να σχηματίζει πιο χαλαρά συγκροτήματα που μοιάζουν με Slinky ποικίλων μεγεθών.

Σε μια εφημερίδα στο eLife που δημοσιεύτηκε τον Μάρτιο, Luger, ο μεταδιδακτορικός της Samuel Bowerman, και ο Jeff Wereszczynski του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Ιλινόις παρακολούθησαν το έγγραφο του 2017. Χρησιμοποίησαν κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία για να λύσουν τη δομή του αρχαϊκού νουκλεοσώματος σε μια κατάσταση πιο αντιπροσωπευτική ενός ζωντανού κυττάρου. Οι παρατηρήσεις τους επιβεβαίωσαν ότι οι δομές των αρχαϊκών νουκλεοσωμάτων είναι λιγότερο σταθερές. Τα ευκαρυωτικά νουκλεοσώματα είναι πάντα σταθερά τυλιγμένα από περίπου 147 ζεύγη βάσεων DNA και αποτελούνται πάντα από μόλις οκτώ ιστόνες. (Για τα ευκαρυωτικά νουκλεοσώματα, «το buck σταματά στο οκτώ», είπε ο Luger.) Τα ισοδύναμά τους στα αρχαία σχηματίζουν μεταξύ 60 και 600 ζεύγη βάσεων. Αυτά τα «αρχαιοσώματα» μερικές φορές περιέχουν μόλις τρία διμερή ιστόνης, αλλά τα μεγαλύτερα αποτελούνται από έως και 15 διμερή.

Βρήκαν επίσης ότι σε αντίθεση με τα σφιχτά ευκαρυωτικά νουκλεοσώματα, τα αρχαιοσώματα που μοιάζουν με Slinky ανοίγουν στοχαστικά, όπως τα όστρακα. Οι ερευνητές πρότειναν ότι αυτή η διάταξη απλοποιεί την έκφραση γονιδίων για τα αρχαία, επειδή σε αντίθεση με τους ευκαρυώτες, δεν χρειάζονται ενεργειακά ακριβές συμπληρωματικές πρωτεΐνες για να βοηθήσουν στην απομάκρυνση του DNA από τις ιστόνες ώστε να είναι διαθέσιμες για μεταγραφή.

Γι' αυτό ο Tobias Warnecke, ο οποίος μελετά τις αρχαϊκές ιστόνες στο Imperial College του Λονδίνου, πιστεύει ότι «υπάρχει κάτι ξεχωριστό που πρέπει να συνέβη στην αυγή των ευκαρυωτών, όπου μεταβαίνουμε από το να έχουμε απλές ιστόνες… στο να έχουμε οκταμερή νουκλεοσώματα. Και φαίνεται να κάνουν κάτι ποιοτικά διαφορετικό.”

Τι είναι αυτό, ωστόσο, παραμένει ένα μυστήριο. Στα αρχαϊκά είδη, υπάρχουν «αρκετά που έχουν ιστόνες και υπάρχουν άλλα είδη που δεν έχουν ιστόνες. Και ακόμη και αυτά που έχουν ιστόνες ποικίλλουν αρκετά», είπε ο Warnecke. Τον περασμένο Δεκέμβριο, δημοσίευσε μια εργασία που δείχνει ότι υπάρχουν διάφορες παραλλαγές πρωτεϊνών ιστόνης με διαφορετικές λειτουργίες. Τα σύμπλοκα ιστόνης-DNA ποικίλλουν ως προς τη σταθερότητα και τη συγγένειά τους για το DNA. Αλλά δεν είναι τόσο σταθερά ή τακτικά οργανωμένα όσο τα ευκαρυωτικά νουκλεοσώματα.

Όσο αινιγματική κι αν είναι η ποικιλομορφία των αρχαϊκών ιστονών, παρέχει την ευκαιρία να κατανοήσουμε τους διαφορετικούς πιθανούς τρόπους οικοδόμησης συστημάτων γονιδιακής έκφρασης. Αυτό είναι κάτι που δεν μπορούμε να συλλέξουμε από τη σχετική «βαρεμάρα» των ευκαρυωτικών, λέει ο Warnecke:Μέσα από την κατανόηση των συνδυαστικών των αρχαϊκών συστημάτων, «μπορούμε επίσης να καταλάβουμε τι είναι το ιδιαίτερο για τα ευκαρυωτικά συστήματα». Η ποικιλία των διαφορετικών τύπων και διαμορφώσεων ιστονών στα αρχαία μπορεί επίσης να μας βοηθήσει να συμπεράνουμε τι θα μπορούσαν να έκαναν πριν στερεοποιηθεί ο ρόλος τους στη γονιδιακή ρύθμιση.

Προστατευτικός ρόλος για ιστόνες

Επειδή τα αρχαία είναι σχετικά απλοί προκαρυώτες με μικρά γονιδιώματα, «Δεν νομίζω ότι ο αρχικός ρόλος των ιστονών ήταν να ελέγχουν την έκφραση των γονιδίων, ή τουλάχιστον με τρόπο που έχουμε συνηθίσει από τους ευκαρυώτες», είπε ο Warnecke. Αντίθετα, υποθέτει ότι οι ιστόνες μπορεί να προστατεύουν το γονιδίωμα από βλάβες.

Οι αρχαίες συχνά ζουν σε ακραία περιβάλλοντα, όπως θερμές πηγές και ηφαιστειακές οπές στον πυθμένα της θάλασσας, που χαρακτηρίζονται από υψηλές θερμοκρασίες, υψηλές πιέσεις, υψηλή αλατότητα, υψηλή οξύτητα ή άλλες απειλές. Η σταθεροποίηση του DNA τους με ιστόνες μπορεί να κάνει πιο δύσκολο για τους κλώνους του DNA να λιώσουν σε αυτές τις ακραίες συνθήκες. Οι ιστόνες μπορεί επίσης να προστατεύσουν τα αρχαία από εισβολείς, όπως φάγους ή μετατιθέμενα στοιχεία, τα οποία θα ήταν πιο δύσκολο να ενσωματωθούν στο γονιδίωμα όταν τυλιχτούν γύρω από τις πρωτεΐνες.

Ο Κουρδιστάν συμφωνεί. «Εάν μελετούσατε τα αρχαία πριν από 2 δισεκατομμύρια χρόνια, η συμπίεση του γονιδιώματος και η γονιδιακή ρύθμιση δεν είναι τα πρώτα πράγματα που θα σας ερχόταν στο μυαλό όταν σκέφτεστε τις ιστόνες», είπε. Στην πραγματικότητα, έχει εικασίες διστακτικά για ένα διαφορετικό είδος χημικής προστασίας που μπορεί να πρόσφεραν οι ιστόνες στην αρχαία.

Τον περασμένο Ιούλιο, η ομάδα του Kurdistani ανέφερε ότι στα νουκλεοσώματα του ζυμομύκητα, υπάρχει μια καταλυτική θέση στη διεπιφάνεια δύο πρωτεϊνών ιστόνης H3 που μπορεί να δεσμεύσει και να μειώσει ηλεκτροχημικά τον χαλκό. Για να αποκαλύψει την εξελικτική σημασία αυτού, ο Kurdistani επιστρέφει στη μαζική αύξηση του οξυγόνου στη Γη, το Μεγάλο Γεγονός Οξείδωσης, που συνέβη περίπου την εποχή που οι ευκαρυώτες εξελίχθηκαν για πρώτη φορά πριν από περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα υψηλότερα επίπεδα οξυγόνου πρέπει να έχουν προκαλέσει μια παγκόσμια οξείδωση μετάλλων όπως ο χαλκός και ο σίδηρος, τα οποία είναι κρίσιμα για τη βιοχημεία (αν και τοξικά σε περίσσεια). Μόλις οξειδωθούν, τα μέταλλα θα είχαν γίνει λιγότερο διαθέσιμα στα κύτταρα, επομένως τυχόν κύτταρα που διατηρούσαν τα μέταλλα σε μειωμένη μορφή θα είχαν ένα πλεονέκτημα.

Κατά τη διάρκεια του Great Oxidation Event, η ικανότητα αναγωγής του χαλκού θα ήταν «ένα εξαιρετικά πολύτιμο εμπόρευμα», είπε ο Kurdistani. Μπορεί να ήταν ιδιαίτερα ελκυστικό για τα βακτήρια που ήταν πρόδρομοι των μιτοχονδρίων, καθώς η οξειδάση του κυτοχρώματος c, το τελευταίο ένζυμο στην αλυσίδα των αντιδράσεων που χρησιμοποιούν τα μιτοχόνδρια για την παραγωγή ενέργειας, απαιτεί χαλκό για να λειτουργήσει.

Επειδή τα αρχαία ζουν σε ακραία περιβάλλοντα, μπορεί να είχαν βρει τρόπους να παράγουν και να χειρίζονται μειωμένο χαλκό χωρίς να σκοτωθούν από αυτόν πολύ πριν από το Μεγάλο Γεγονός Οξείδωσης. Αν ναι, τα πρωτο-μιτοχόνδρια θα μπορούσαν να έχουν εισβάλει στους αρχαίους ξενιστές για να κλέψουν τον μειωμένο χαλκό τους, προτείνει ο Kurdistani.

Η υπόθεση είναι ενδιαφέρουσα γιατί θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί εμφανίστηκαν οι ευκαρυώτες όταν ανέβηκαν τα επίπεδα οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. «Υπήρχαν 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια ζωής πριν από αυτό, και κανένα σημάδι ευκαρυωτών», είπε ο Κουρδιστάν. "Επομένως, η ιδέα ότι το οξυγόνο οδήγησε τον σχηματισμό του πρώτου ευκαρυωτικού κυττάρου, για μένα, θα πρέπει να είναι κεντρική σε οποιεσδήποτε υποθέσεις που προσπαθούν να βρουν γιατί αναπτύχθηκαν αυτά τα χαρακτηριστικά."

Η εικασία του Kurdistani προτείνει επίσης μια εναλλακτική υπόθεση για το γιατί τα ευκαρυωτικά γονιδιώματα έγιναν τόσο μεγάλα. Η δραστηριότητα μείωσης του χαλκού των ιστονών εμφανίζεται μόνο στη διεπιφάνεια των δύο ιστονών Η3 μέσα σε ένα συναρμολογημένο νουκλεόσωμα τυλιγμένο με DNA. «Νομίζω ότι υπάρχει μια ευδιάκριτη πιθανότητα το κύτταρο να ήθελε περισσότερες ιστόνες. Και ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό ήταν να επεκταθεί αυτό το ρεπερτόριο DNA», είπε ο Kurdistani. Με περισσότερο DNA, τα κύτταρα θα μπορούσαν να τυλίξουν περισσότερα νουκλεοσώματα και να επιτρέψουν στις ιστόνες να μειώσουν περισσότερο χαλκό, κάτι που θα υποστήριζε περισσότερη μιτοχονδριακή δραστηριότητα. "Δεν ήταν μόνο ότι οι ιστόνες επέτρεπαν περισσότερο DNA, αλλά περισσότερο DNA επέτρεψαν περισσότερες ιστόνες", είπε.

«Ένα από τα καλά πράγματα σε αυτό είναι ότι ο χαλκός είναι πολύ επικίνδυνος γιατί θα σπάσει το DNA», είπε ο Steven Henikoff, βιολόγος χρωματίνης και ερευνητής HHMI στο Κέντρο Ερευνών Καρκίνου Fred Hutchinson στο Σιάτλ. «Εδώ είναι ένα μέρος όπου κατασκευάζεται η ενεργή μορφή του χαλκού, και είναι ακριβώς δίπλα στο DNA, αλλά δεν σπάει το DNA γιατί, πιθανώς, είναι σε σφιχτά συσκευασμένη μορφή», είπε. Τυλίγοντας το DNA, τα νουκλεοσώματα κρατούν το DNA με ασφάλεια.

Η υπόθεση εξηγεί πιθανώς πτυχές του τρόπου με τον οποίο εξελίχθηκε η αρχιτεκτονική του ευκαρυωτικού γονιδιώματος, αλλά έχει συναντήσει κάποιο σκεπτικισμό. Το βασικό ερώτημα που εκκρεμεί είναι εάν οι αρχαϊκές ιστόνες έχουν την ίδια ικανότητα μείωσης του χαλκού με ορισμένες ευκαρυωτικές. Ο Kurdistani το διερευνά τώρα.

Η ουσία είναι ότι ακόμα δεν γνωρίζουμε οριστικά ποιες λειτουργίες είχαν οι ιστόνες στα αρχαία. Αλλά ακόμα κι έτσι, «το γεγονός ότι τα βλέπετε διατηρημένα σε μεγάλες αποστάσεις υποδηλώνει έντονα ότι κάνουν κάτι ξεχωριστό και σημαντικό», είπε ο Warnecke. "Πρέπει απλώς να μάθουμε τι είναι."

Οι ιστόνες εξακολουθούν να εξελίσσονται

Αν και η σύνθετη ευκαρυωτική συσκευή ιστόνης δεν έχει αλλάξει πολύ από την αρχή της πριν από περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια, δεν έχει καταψυχθεί εντελώς. Το 2018, μια ομάδα στο Κέντρο Έρευνας Καρκίνου Fred Hutchinson ανέφερε ότι ένα σύνολο παραλλαγών κοντών ιστονών που ονομάζεται H2A.B εξελίσσεται ταχέως. Ο ρυθμός των αλλαγών είναι ένα σίγουρο σημάδι μιας «κούρσας εξοπλισμών» μεταξύ γονιδίων που συναγωνίζονται για τον έλεγχο των ρυθμιστικών πόρων. Αρχικά δεν ήταν ξεκάθαρο στους ερευνητές περί τίνος επρόκειτο για τη γενετική σύγκρουση, αλλά μέσω μιας σειράς κομψών πειραμάτων διασταύρωσης σε ποντίκια, τελικά έδειξαν ότι οι παραλλαγές H2A.B υπαγόρευαν τον ρυθμό επιβίωσης και ανάπτυξης των εμβρύων, όπως αναφέρθηκε τον Δεκέμβριο στο PLOS Biology .

Τα ευρήματα πρότειναν ότι οι πατρικές και μητρικές εκδοχές των παραλλαγών ιστόνης μεσολαβούν σε μια σύγκρουση σχετικά με τον τρόπο κατανομής των πόρων στους απογόνους κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης. Είναι σπάνια παραδείγματα γονιδίων γονικής επίδρασης — αυτά που δεν επηρεάζουν άμεσα το άτομο που τα φέρει, αλλά αντίθετα επηρεάζουν έντονα τους απογόνους του ατόμου.

Οι παραλλαγές H2A.B προέκυψαν με τα πρώτα θηλαστικά, όταν η εξέλιξη της in utero ανάπτυξης ξανάγραψε το «συμβόλαιο» για γονική επένδυση. Οι μητέρες ανέκαθεν επένδυαν πολλούς πόρους στα αυγά τους, αλλά και οι μητέρες θηλαστικών έγιναν ξαφνικά υπεύθυνες για την πρώιμη ανάπτυξη των απογόνων τους. Αυτό δημιούργησε μια σύγκρουση:τα πατρικά γονίδια στο έμβρυο δεν είχαν τίποτα να χάσουν απαιτώντας επιθετικά πόρους, ενώ τα μητρικά γονίδια επωφελήθηκαν από τον περιορισμό του βάρους για να γλιτώσουν τη μητέρα και να την αφήσουν να ζήσει για να αναπαραχθεί άλλη μια μέρα.

«Αυτή η διαπραγμάτευση είναι ακόμη σε εξέλιξη», δήλωσε ο Harmit Malik, ερευνητής HHMI στο Κέντρο Ερευνών Καρκίνου Fred Hutchinson που μελετά τις γενετικές συγκρούσεις. Το πώς ακριβώς οι ιστόνες επηρεάζουν την ανάπτυξη και τη βιωσιμότητα των απογόνων δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητό, αλλά ο Antoine Molaro, ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης που ηγήθηκε της εργασίας και ο οποίος τώρα ηγείται της δικής του ερευνητικής ομάδας στο Πανεπιστήμιο του Clermont Auvergne στη Γαλλία, το διερευνά. /P>

Ορισμένες παραλλαγές ιστόνης μπορεί επίσης να προκαλέσουν προβλήματα υγείας. Τον Ιανουάριο, οι Molaro, Malik, Henikoff και οι συνεργάτες τους ανέφεραν ότι οι βραχείες παραλλαγές ιστόνης H2A εμπλέκονται σε ορισμένους καρκίνους:Περισσότερα από τα μισά διάχυτα λεμφώματα μεγάλων Β κυττάρων φέρουν μεταλλάξεις σε αυτά. Άλλες παραλλαγές ιστόνης σχετίζονται με νευροεκφυλιστικές ασθένειες.

Αλλά ελάχιστα είναι ακόμη κατανοητά για το πώς ένα μόνο αντίγραφο μιας παραλλαγής ιστόνης μπορεί να προκαλέσει τόσο δραματικά αποτελέσματα ασθένειας. Η προφανής υπόθεση είναι ότι οι παραλλαγές επηρεάζουν τη σταθερότητα των νουκλεοσωμάτων και διαταράσσουν τις λειτουργίες σηματοδότησης τους, αλλάζοντας την έκφραση των γονιδίων με τρόπο που αλλάζει τη φυσιολογία των κυττάρων. Αλλά εάν οι ιστόνες μπορούν να λειτουργήσουν ως ένζυμα, τότε ο Kurdistani προτείνει μια άλλη πιθανότητα:Οι παραλλαγές μπορεί να αλλάξουν την ενζυματική δραστηριότητα μέσα στα κύτταρα.

Μια εναλλακτική προέλευση από ιούς;

Παρά τις αποδείξεις δεκαετιών από τον Sandman και άλλους ότι οι ευκαρυωτικές ιστόνες εξελίχθηκαν από αρχαϊκές ιστόνες, μερικές ενδιαφέρουσες πρόσφατες εργασίες άνοιξαν απροσδόκητα την πόρτα σε μια εναλλακτική θεωρία σχετικά με την προέλευσή τους. Σύμφωνα με μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 29 Απριλίου στο Nature Structural &Molecular Biology , οι γιγάντιοι ιοί της οικογένειας Marseilleviridae έχουν ιογενείς ιστόνες που σχετίζονται αναγνωρίσιμα με τις τέσσερις κύριες ευκαρυωτικές ιστόνες. Η μόνη διαφορά είναι ότι στις ιογενείς εκδόσεις, οι ιστόνες που συνήθως ζευγαρώνουν μέσα στο οκταμερές (H2A με H2B και H3 με H4) στους ευκαρυώτες είναι ήδη συντηγμένες σε διπλές. Οι συντηγμένες ιικές ιστόνες σχηματίζουν δομές που είναι «σχεδόν πανομοιότυπες με τα κανονικά ευκαρυωτικά νουκλεοσώματα», σύμφωνα με τους συγγραφείς της εργασίας.

Η ομάδα του Luger δημοσίευσε μια προεκτύπωση στο biorxiv.org σχετικά με τις ιστόνες του ιού την ίδια μέρα, δείχνοντας ότι στο κυτταρόπλασμα των μολυσμένων κυττάρων, οι ιστόνες του ιού παραμένουν κοντά στα «εργοστάσια» που παράγουν νέα ιικά σωματίδια.

«Εδώ είναι αυτό που είναι πραγματικά συναρπαστικό», είπε ο Henikoff, ο οποίος ήταν μεταξύ των συγγραφέων του νέου Nature Structural &Molecular Biology χαρτί. «Όλες οι παραλλαγές ιστόνης αποδεικνύεται ότι προέρχονται από έναν κοινό πρόγονο που μοιραζόταν μεταξύ ευκαρυωτών και γιγάντιων ιών. Με τυπικά φυλογενετικά κριτήρια, αυτές είναι μια αδελφή ομάδα με τους ευκαρυώτες.»

Είναι συναρπαστικό ότι αυτός ο κοινός πρόγονος είναι από όπου προήλθαν οι ευκαρυωτικές ιστόνες, λέει. Ένας «πρωτο-ευκαρυώτης» που είχε διπλές ιστόνες μπορεί να ήταν προγονικός τόσο των γιγάντιων ιών όσο και των ευκαρυωτών και θα μπορούσε να είχε περάσει τις πρωτεΐνες και στις δύο γραμμές των οργανισμών πολύ καιρό πριν.

Ο Warnecke, ωστόσο, είναι δύσπιστος σχετικά με το συμπέρασμα φυλογενετικών σχέσεων από αλληλουχίες ιών, οι οποίες είναι διαβόητα μεταβλητές. Όπως εξήγησε σε ένα email στο Quanta , άλλοι λόγοι εκτός από την κοινή καταγωγή μπορεί να εξηγήσουν πώς οι ιστόνες κατέληξαν και στις δύο γενεαλογίες. Επιπλέον, η ιδέα θα απαιτούσε οι διπλές ιστονών να «αποσυντηχθούν» αργότερα στις ιστόνες H2A, H2B, H3 και H4, επειδή δεν υπάρχουν διπλές από αυτές τις ιστόνες σε σωζόμενους ευκαρυώτες. "Πώς και γιατί θα συνέβαινε αυτό είναι ασαφές", έγραψε.

Αν και ο Warnecke δεν είναι πεπεισμένος ότι οι ιικές ιστόνες μας λένε πολλά για την προέλευση των ευκαρυωτικών ιστονών, είναι γοητευμένος από τις πιθανές λειτουργίες τους. Μια πιθανότητα είναι ότι βοηθούν στη συμπίεση του DNA του ιού. Μια άλλη ιδέα είναι ότι θα μπορούσαν να συγκαλύπτουν το DNA του ιού από την άμυνα του ξενιστή.

Οι Histones είχαν μυριάδες ρόλους από την αυγή του χρόνου. Αλλά ήταν πραγματικά στους ευκαρυώτες που έγιναν το κρίκο για τη σύνθετη ζωή και τις αμέτρητες εξελικτικές καινοτομίες. Γι' αυτό ο Martin αποκαλεί την ιστόνη «ένα βασικό δομικό στοιχείο που δεν θα μπορούσε ποτέ να αξιοποιήσει πλήρως τις δυνατότητές του χωρίς τη βοήθεια των μιτοχονδρίων».