Caracterització estructural de pèptids dels dominis terminals de la histona H1

Abstract

La histona H1 és una de les proteïnes que participen en la formació de la superestructura de la cromatina. Aquesta proteïna està formada per tres dominis: una regió globular central flanquejada per cues N- i C-terminals hidrofíliques i bàsiques, molt riques en lisina, alanina i prolina. <br/>Mitjançant tècniques de dicroïsme circular (DC), ressonància magnètica nuclear de protó de doble dimensió (RMN-2D) i espectroscòpia d'infraroig (FTIR), s'ha estudiat l'estructura de pèptids dels dominis N- i C-terminals dels subtipus H1º i H1e en diverses condicions: en dissolució aquosa, en presència de 2,2,2-trifluoroetanol (TFE) i en presència de DNA.<br/>Els pèptids estudiats són: NH-1, de 20 residus, que correspon a tot el domini N-terminal de la H1º, idèntic en ratolí i humà, i NH-2 corresponent als residus 8-30 de la mateixa proteïna. CH-1 correspon als residus 99-121, inclosos en el domini C-terminal de la H1º, idèntics en ratolí i rata. NHe-1 correspon als residus 15-36 del domini N-terminal de la H1e de ratolí. <br/>Els estudis de DC i RMN-2D de protó revelen que cap dels pèptids de la histona H1 estudiats es troba estructurat de forma estable en dissolució aquosa. En 90% de TFE, en canvi, els quatre pèptids adquireixen un percentatge substancial d'estructura secundària, especialment hèlix a. <br/>Concretament, NHe-1 s'estructura en dues hèlixs a amfipàtiques separades per dues glicines. Aquest doblet de glicines defineix una zona flexible que provoca llibertat de moviments de les dues hèlixs.<br/>El domini N-terminal de la histona H1º, segons es desprèn dels nostres resultats amb NH-1 i NH-2, es troba desestructurat en la seva meitat N-terminal i del residu 11 al 23 s'estructura en una hèlix a.<br/>CH-1 s'estructura en una hèlix a amfipàtica del residu 100 al 116. Tanmateix, sembla que els primers 4 residus formen una hèlix 310. El motiu TPKK situat en l'extrem C-terminal s'estructura en un gir b/s. <br/>S'han estudiat els pèptids NH-1, NH-2 i CH-1 per FTIR. En dissolució aquosa, l'amida I dels tres pèptids presenta un component principal a 1641 cm-1, característic de pèptid desestructurat. En 90% de TFE, apareixen hèlixs i girs en proporcions que s'ajusten als resultats de RMN. També hem estudiat l'estructura dels pèptids units a DNA genòmic de ratolí i a DNAs repetitius com poli[dA-dT]·poli[dA-dT]. No s'observen diferències importants entre els diferents DNAs. A l'interaccionar amb el DNA, els pèptids s'estructuren en hèlix a amb uns percentatges molt semblants als observats en TFE. En el cas de CH-1, els components atribuïts al gir b/s i a hèlix 310 també apareixen en els espectres dels complexos amb DNA. <br/>En conclusió, el DNA indueix estructura secundària en regions dels dominis N- i C-terminals de la histona H1, concretament hèlixs a, hèlixs 310 i girs. El TFE revela aquesta estructura i permet el seu estudi a alta resolució.

Histone H1 is one of the proteins that participate in chromatin condensation. This protein has a three domain structure: a globular central region and two N- and C-terminal tails. These tail domains are hydrophilic and basic, very rich in lysine, alanine and proline.<br/>Using circular dichroism (CD), double magnetic proton nuclear magnetic resonance (2D-NMR) and infrared spectroscopy (FTIR), we have studied the structure of peptides from the N- and C-terminal domains of H1º and H1e histone subtypes in several conditions: in aqueous solution, in the presence of 2,2,2-trifluoroethanol (TFE) and in the presence of DNA.<br/>The peptides studied are: NH-1, of 20 residues, which corresponds to all the N-terminal domain of histone H1º, identical for mouse and rat; and NH-2, corresponding to the residues 8-30 of the same protein. CH-1 corresponds to the residues 99-121, included in the histone H1º C-terminal domain. NHe-1 corresponds to the residues 15-36 of the mouse histone H1e N-terminal domain. <br/>The CD and proton 2D-NMR studies show that none of the studied histone H1 peptides present stable secondary structure in aqueous solution. In 90% TFE the four peptides acquire a substantial secondary structure percentage, specially a-helix.<br/>In these conditions, NHe-1 become structured in two amphipathic a-helices separated by two glycines. This glycine doublet constitutes a flexible zone that confers a high freedom of movements to the helices.<br/> The N-terminal domain of histone H1º, according to our results with NH-1 and NH-2 peptides in 90% TFE, remains unstructured in its N-terminal half, and from the residue 11 to the 23 it is structured in an a-helix.<br/>CH-1 is structured in an amphipathic helix from the residue 100 to the 116. The first four residues seem to form a 310 helix and the rest an a-helix. The TPKK motif, localized at the C-terminal end of the peptide forms a b/s turn.<br/>We have also studied the peptides NH-1, NH-2 and CH-1 by FTIR spectroscopy. In aqueous solution the amide I' of the three peptides shows a main component at 1641 cm-1 characteristic of an unstructured peptide. In 90% TFE the helix and turn percentages are similar to that of the NMR results. We have used this technique to study the structure of the peptides when bound to mouse genomic DNA and repetitive DNAs like poly[dA-dT]·poly[dA-dT]. There are no important differences between the different DNAs used. Upon interaction with the DNA, the peptides become structured in a-helix in percentages very similar to that observed in 90% TFE. In the spectra of CH-1 / DNA complexes, components attributed to b/s turn and 310 helix also appear.<br/>In conclusion, the DNA induces secondary structure in regions of the N- and C-terminal domains of histone H1, mainly a-helices, 310 helices and turns. The TFE also stabilizes these structures and permits their study at high resolution.