H3K4me3

يُعدّ H3K4me3 تعديلًا فوق جينيًا لبروتين تغليف الحمض النووي الهيستون H3 ، ويشير إلى إضافة ثلاث مجموعات ميثيل إلى بقايا الليسين الرابعة في بروتين الهيستون H3، وغالبًا ما يشارك في تنظيم التعبير الجيني . ^{[ 1 ]} يشير الاسم إلى إضافة ثلاث مجموعات ميثيل ( ثلاثي الميثيل ) إلى الليسين 4 في بروتين الهيستون H3 .

يُستخدم الهيستون H3 لتغليف الحمض النووي في الخلايا حقيقية النواة (بما في ذلك الخلايا البشرية)، وتؤدي التعديلات التي تطرأ عليه إلى تغيير إمكانية وصول الجينات إلى عملية النسخ. يرتبط تعديل H3K4me3 عادةً بتنشيط نسخ الجينات المجاورة. ينظم مثيلة H3K4 الثلاثية التعبير الجيني من خلال إعادة تشكيل الكروماتين بواسطة مُركب NURF . ^{[ 2 ]} وهذا يجعل الحمض النووي في الكروماتين أكثر سهولة في الوصول إليه لعوامل النسخ ، مما يسمح بنسخ الجينات والتعبير عنها في الخلية. وبشكل أكثر تحديدًا، وُجد أن H3K4me3 ينظم النسخ بشكل إيجابي عن طريق جلب إنزيمات أسيتيل الهيستون وإنزيمات إعادة تشكيل النيوكليوسوم (NURF). ^{[ 3 ]} كما يلعب H3K4me3 دورًا مهمًا في التنظيم الجيني لقدرة الخلايا الجذعية وسلالتها . ^{[ 4 ]} وذلك لأن هذا التعديل الهيستوني يوجد بكثرة في مناطق الحمض النووي المرتبطة بالتطور وتحديد هوية الخلية. ^{[ 5 ]}

يشير H3K4me3 إلى مثيلة ثلاثية لليسين 4 على الوحدة الفرعية لبروتين الهيستون H3:

يوضح هذا الرسم التخطيطي عملية المثيلة التدريجية لبقايا الليسين. تشير المثيلة الثلاثية (على اليمين) إلى المثيلة الموجودة في H3K4me3.

يُنتج تعديل H3K4me3 بواسطة إنزيم ناقل ميثيل الهيستون (HMT) المُختص بالليسين، والذي ينقل ثلاث مجموعات ميثيل إلى الهيستون H3. ^{[ 6 ]} تتم مثيلة H3K4me3 بواسطة مُركبات ناقل الميثيل التي تحتوي على بروتين WDR5 ، والذي يحتوي على وحدة بروتينية مُكررة WD40 . ^{[ 7 ]} يرتبط WDR5 تحديدًا بـ H3K4 ثنائي الميثيل، ويسمح بمزيد من المثيلة بواسطة ناقلات الميثيل، مما يُتيح تكوين تعديل H3K4me3 وقراءته. ^{[ 8 ]} وقد ثبت أن نشاط WDR5 ضروري لجينات النمو، مثل جينات Hox ، التي تُنظم بواسطة مثيلة الهيستون. ^{[ 7 ]}

يُعدّ H3K4me3 أحد تعديلات الهيستون الشائعة الاستخدام. ورغم أنه من أقل تعديلات الهيستون وفرةً، إلا أنه يتواجد بكثرة في المحفزات النشطة القريبة من مواقع بدء النسخ (TSS) ^{[ 9 ]} ، ويرتبط ارتباطًا إيجابيًا بعملية النسخ. يُستخدم H3K4me3 كشفرة هيستون أو علامة هيستون في الدراسات فوق الجينية (ويُحدد عادةً من خلال ترسيب الكروماتين المناعي ) لتحديد محفزات الجينات النشطة .

يحفز H3K4me3 تنشيط الجينات من خلال عمل مركب NURF، وهو مركب بروتيني يعمل عبر وحدة PHD لإعادة تشكيل الكروماتين. ^{[ 2 ]} وهذا يجعل الحمض النووي في الكروماتين متاحًا لعوامل النسخ ، مما يسمح بنسخ الجينات والتعبير عنها في الخلية.

يلتف الحمض النووي الجينومي للخلايا حقيقية النواة حول جزيئات بروتينية خاصة تُعرف باسم الهستونات . تُعرف المركبات المتكونة من التفاف الحمض النووي بالكروماتين . الوحدة البنائية الأساسية للكروماتين هي النيوكليوسوم ، الذي يتكون من ثماني وحدات أساسية من الهستونات (H2A، H2B، H3، وH4) بالإضافة إلى هستون رابط وحوالي 180 زوجًا من قواعد الحمض النووي. هذه الهستونات الأساسية غنية ببقايا الليسين والأرجينين. يساهم الطرف الكربوكسيلي (C) لهذه الهستونات في تفاعلات الهستون-هستون، وكذلك تفاعلات الهستون-الحمض النووي. أما الذيول الأمينية (N) المشحونة فهي موقع التعديلات ما بعد الترجمة، مثل تلك التي تُلاحظ في H3K4me1. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

يلعب تنظيم التعبير الجيني عبر H3K4me3 دورًا هامًا في تحديد مصير الخلايا الجذعية وتطور الجنين المبكر. تتميز الخلايا متعددة القدرات بأنماط مثيلة مميزة يمكن تحديدها من خلال تقنية ChIP-seq . وهذا أمر بالغ الأهمية في تطوير الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة . ومن طرق تحديد مؤشرات نجاح استحثاث تعدد القدرات مقارنة النمط فوق الجيني بنمط الخلايا الجذعية الجنينية . ^{[ 12 ]}

في الكروماتين ثنائي التكافؤ ، يتواجد H3K4me3 بالتزامن مع التعديل الكابت H3K27me3 للتحكم في تنظيم الجينات. ^{[ 13 ]} يُعدّ H3K4me3 في الخلايا الجنينية جزءًا من نظام الكروماتين ثنائي التكافؤ، حيث تُوسَم مناطق الحمض النووي في آنٍ واحد بمثيلة الهيستون المنشطة والمثبطة. ^{[ 13 ]} يُعتقد أن هذا يسمح بنظام مرن للتعبير الجيني، حيث تُثبَّط الجينات في المقام الأول، ولكن قد تُعبَّر عنها بسرعة بفضل H3K4me3 مع تقدم الخلية في مراحل النمو. ^{[ 4 ]} تميل هذه المناطق إلى التزامن مع جينات عوامل النسخ التي تُعبَّر عنها بمستويات منخفضة. ^{[ 4 ]} بعض هذه العوامل، مثل جينات Hox ، ضرورية للتحكم في النمو والتمايز الخلوي أثناء تكوين الجنين . ^{[ 2 ] [ 4 ]}

يتواجد H3K4me3 في مواقع انقطاعات الحمض النووي المزدوجة، حيث يعزز إصلاحها عبر مسار الربط غير المتجانس للنهايات . ^{[ 14 ]} وقد أشارت الدراسات إلى أن ارتباط H3K4me3 ضروري لوظيفة جينات مثل مثبط بروتين النمو 1 (ING1) ، التي تعمل كمثبطات للأورام وتُفعّل آليات إصلاح الحمض النووي. ^{[ 15 ]}

عند حدوث تلف في الحمض النووي، تبدأ عملية إرسال إشارات التلف وإصلاحه نتيجة لتعديل الهستونات داخل الكروماتين. ومن الناحية الآلية، تُستخدم عملية إزالة مثيلة H3K4me3 اللازمة لارتباط البروتينات المحددة واستقطابها إلى موضع تلف الحمض النووي ^{[ 16 ].}

تُفسّر الخلية التعديلات اللاحقة للترجمة التي تطرأ على ذيول الهستونات، سواءً بواسطة مُركّبات تعديل الهستونات أو مُركّبات إعادة تشكيل الكروماتين، مما يؤدي إلى مُخرجات نسخية مُعقدة وتوافقية. يُعتقد أن شفرة الهستونات تُحدد التعبير الجيني من خلال تفاعل مُعقد بين الهستونات في منطقة مُعينة. ^{[ 17 ]} يستند الفهم والتفسير الحاليان للهستونات إلى مشروعين واسعي النطاق: مشروع ENCODE وخارطة طريق علم التخلق. ^{[ 18 ]} كان الهدف من دراسة علم التخلق هو التحقق من التغيرات فوق الجينية عبر الجينوم بأكمله. وقد أدى ذلك إلى تحديد حالات الكروماتين التي تُعرّف المناطق الجينومية من خلال تجميع تفاعلات البروتينات المختلفة و/أو تعديلات الهستونات معًا. تم التحقق من حالات الكروماتين في خلايا ذبابة الفاكهة من خلال دراسة مواقع ارتباط البروتينات في الجينوم. وكشف استخدام تقنية تسلسل ChIP عن مناطق في الجينوم تتميز بنطاقات مختلفة. ^{[ 19 ]} تم تحليل مراحل النمو المختلفة في ذبابة الفاكهة، مع التركيز على أهمية تعديلات الهيستون. ^{[ 20 ]} أدى تحليل البيانات إلى تحديد حالات الكروماتين بناءً على تعديلات الهيستون. ^{[ 21 ]} تم تحديد مواقع بعض التعديلات، ولوحظ تركزها في مناطق جينومية محددة. تم العثور على خمسة تعديلات أساسية للهيستون، يرتبط كل منها بوظائف خلوية مختلفة.

• مُحسِّنات مُهيأة لـ H3K4me1
• مُروِّجو H3K4me3
• أجسام جين H3K36me3
• تثبيط H3K27me3 بواسطة بولي كومب
• H3K9me3 - الكروماتين المغاير

تمت إضافة بيانات عن حالات الكروماتين إلى الجينوم البشري. ويمكن استخدام هذه البيانات كطرق جديدة لتحليل الجينوم بشكل مستقل عن تسلسل الجينوم الأساسي. ويؤكد هذا الاستقلال عن تسلسل الحمض النووي الطبيعة فوق الجينية لتعديلات الهيستون. كما تُعد حالات الكروماتين مفيدة في تحديد العناصر التنظيمية التي لا تملك تسلسلًا محددًا، مثل المُعززات . ويتيح هذا المستوى الإضافي من التحليل فهمًا أعمق لتنظيم الجينات الخاص بكل خلية. ^{[ 22 ]}

يمكن الكشف عن علامة الهيستون H3K4me3 بعدة طرق:

1. يقيس تسلسل الترسيب المناعي للكروماتين ( ChIP-Seq ) كمية الحمض النووي المُخصب بعد ارتباطه ببروتين مُستهدف وترسيبه المناعي . يتميز هذا التسلسل بتحسينه الجيد، ويُستخدم في الكائنات الحية للكشف عن ارتباط الحمض النووي بالبروتين داخل الخلايا. يُمكن استخدام ChIP-Seq لتحديد وقياس كمية أجزاء الحمض النووي المختلفة لتعديلات الهيستون المتنوعة على طول منطقة جينومية. ^{[ 23 ]}

2. يُستخدم تسلسل النيوكلياز الميكروكوكي ( MNase-seq ) لدراسة المناطق المرتبطة بالنيوكليوسومات ذات المواقع المحددة. ويُستخدم إنزيم النيوكلياز الميكروكوكي لتحديد مواقع النيوكليوسومات. وقد لوحظ أن النيوكليوسومات ذات المواقع المحددة تتميز بوفرة التسلسلات. ^{[ 24 ]}

3. يُستخدم تحليل تسلسل الكروماتين المتاح بواسطة الترانسبيوزاز ( ATAC-seq ) لدراسة المناطق الخالية من النيوكليوسومات (الكروماتين المفتوح). ويستخدم هذا التحليل عنصر الترانسبيوزون Tn5 فائق النشاط لتحديد موقع النيوكليوسومات. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

• الميثامفيتامين §  الإدمان
• مثيلة الهيستون
• ناقل ميثيل الهيستون
• ميثيل ليسين