پروتئین‌های هیستون سال‌ها به عنوان اجزای ساختاری سلول شناخته می‌شدند که وظیفه‌شان بسته‌بندی و سازماندهی DNA است. اما یافته‌های علمی جدید نشان داده است که این پروتئین‌ها نقش‌هایی بسیار فراتر از نگهداری DNA دارند. هیستون‌ها بی‌سروصدا اما مؤثر، عملکرد سلول‌ها را در حوزه‌های مختلف، از تنظیم بیان ژن گرفته تا مدیریت انرژی و فرآیندهای متابولیکی، کنترل می‌کنند.
این کشف تازه، نگاه دانشمندان به حیات سلولی را متحول کرده و مسیرهای جدیدی را برای تحقیقات در زمینه زیست‌شناسی، پزشکی و حتی درمان بیماری‌ها گشوده است گه در وبسایت جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان معرفی میگردد.
هیستون‌ها و سازماندهی DNA
نوکلئوزوم؛ واحد ساختاری کروموزوم‌ها
DNA در سلول‌های یوکاریوتی بسیار بلند است و بدون یک سیستم سازماندهی دقیق، نمی‌توان آن را در فضای کوچک هسته جای داد. هیستون‌ها با تشکیل ساختارهایی به نام نوکلئوزوم، DNA را مانند نخ دور قرقره، به شکلی فشرده و منظم می‌پیچند. این آرایش متراکم، علاوه بر حفاظت از DNA، امکان کنترل دقیق دسترسی به ژن‌ها را فراهم می‌کند.
دُم‌های هیستونی و تغییرات شیمیایی
هیستون‌ها دارای دُم‌های بلند و انعطاف‌پذیری هستند که از ساختار نوکلئوزوم بیرون زده و محل اتصال گروه‌های شیمیایی مختلف‌اند. آنزیم‌های ویژه می‌توانند گروه‌های متیل یا استیل را به این دُم‌ها اضافه یا حذف کنند. این فرآیندها که به ترتیب متیلاسیون و استیلاسیون نام دارند، ابزار اصلی سلول برای تنظیم فعالیت ژن‌ها و واکنش‌های متابولیکی محسوب می‌شوند.
فراتر از تنظیم ژن؛ نقش متابولیکی هیستون‌ها
مدت‌ها تصور می‌شد که تغییرات شیمیایی روی هیستون‌ها فقط برای فعال یا غیرفعال کردن ژن‌ها استفاده می‌شود. اما تحقیقات جدید نشان داده است که این تغییرات اهداف دیگری هم دارند: ذخیره و آزادسازی گروه‌های شیمیایی حیاتی برای ادامه حیات سلول.
هیستون‌ها به عنوان مخزن استیل و متیل
• استیل‌ها: این گروه‌های شیمیایی که در میتوکندری (نیروگاه سلول) تولید می‌شوند، هنگام وفور انرژی به هیستون‌ها متصل شده و به هسته پیام می‌دهند که شرایط برای رشد و تقسیم مهیاست. در زمان کمبود انرژی، سلول استیل‌های ذخیره‌شده را آزاد کرده و از آن‌ها برای تولید انرژی استفاده می‌کند.
• متیل‌ها: این گروه‌ها برای بسیاری از واکنش‌های بیوشیمیایی ضروری‌اند. ذخیره‌سازی متیل‌ها در هیستون‌ها، از انسداد مسیرهای متابولیکی جلوگیری می‌کند. نبود این مخازن باعث می‌شود که فرآیندهایی مثل تولید اسیدآمینه سیستئین مختل شود.
ارتباط میان میتوکندری و هسته از طریق هیستون‌ها
تحقیقات دکتر بنجامین تو و همکارانش نشان داد که هیستون‌ها رابط مهمی بین تولید انرژی در میتوکندری و تنظیم ژن‌ها در هسته هستند.
• در شرایط وفور انرژی، گروه‌های استیل به ژن‌های مرتبط با رشد متصل شده و آن‌ها را فعال می‌کنند.
• در شرایط کمبود مواد غذایی، این گروه‌ها آزاد شده و در تولید انرژی نقش‌آفرینی می‌کنند.
این مکانیزم نشان می‌دهد که هیستون‌ها نه‌تنها ذخیره‌کننده، بلکه تنظیم‌کننده هوشمند مصرف و توزیع انرژی سلولی هستند.
متیلاسیون هیستون‌ها و کنترل متابولیسم
نقش ژن Rb در متیلاسیون هیستون‌ها
پژوهش‌های پیتر سارکیز از دانشگاه آکسفورد نشان داد که فرآیند متیلاسیون هیستون‌ها، علاوه بر تنظیم بیان ژن، مسیرهای متابولیکی را نیز کنترل می‌کند. این فرآیند تحت تأثیر ژنی به نام Rb قرار دارد که نقش مهمی در سرکوب سرطان دارد. جهش در این ژن، تعادل متیلاسیون را برهم می‌زند و می‌تواند منجر به رشد کنترل‌نشده سلول شود.
شواهد تکاملی از نقش متابولیکی هیستون‌ها
هیستون‌ها در موجودات باستانی
مطالعات روی موجودات تک‌سلولی باستانی به نام آرکیا نشان می‌دهد که هیستون‌ها ابتدا برای حفاظت از DNA در برابر شرایط سخت محیطی و ویروس‌ها تکامل یافتند.
با گذشت زمان، دم‌های بلند هیستونی به محل اتصال گروه‌های شیمیایی تبدیل شدند و این تغییر، نقش مهمی در کنترل متابولیسم سلولی ایفا کرد.
جلوگیری از آسیب به مولکول‌های حیاتی
برخی متابولیت‌های تولیدشده در میتوکندری بسیار واکنش‌پذیرند و می‌توانند به DNA یا پروتئین‌ها آسیب برسانند. اتصال این متابولیت‌ها به دُم‌های هیستونی، روشی هوشمندانه برای مهار اثرات مخرب آن‌هاست.
کشفیات جدید و نقش هیستون‌ها در آینده علم
• در سال ۲۰۱۷، پژوهش‌ها نشان داد که نوعی هیستون به نام macroH2A1.1 می‌تواند سطح NAD را که برای واکنش‌های بیوشیمیایی ضروری است، حفظ کند.
• در سال ۲۰۲۰، تیم دکتر سیاوش کردستانی دریافت که هیستون‌ها توانایی تبدیل یون‌های مس اکسیدشده به شکل احیاشده را دارند؛ فرایندی که برای تولید انرژی در میتوکندری حیاتی است.
این کشفیات نشان می‌دهد که هیستون‌ها می‌توانند در زمینه‌های بیشتری از بیوشیمی سلولی نقش داشته باشند و حتی در آینده به اهداف مهمی برای درمان بیماری‌ها تبدیل شوند.
نتیجه‌گیری
هیستون‌ها دیگر تنها محافظان بی‌جان DNA نیستند. آن‌ها سیستم‌های فعال و چندکاره‌ای هستند که همزمان:
• ساختار ژنوم را سازماندهی می‌کنند،
• بیان ژن‌ها را تنظیم می‌کنند،
• و متابولیسم سلول را در شرایط مختلف مدیریت می‌کنند.
شناخت عمیق‌تر از این پروتئین‌ها می‌تواند مسیرهای جدیدی در علم زیست‌شناسی و پزشکی بگشاید و به ما کمک کند تا درک بهتری از حیات سلولی و سازوکارهای آن به دست آوریم.
منبع: Knowable Magazine
