ヒストンH1

ヒストンH1とは

ヒストンH1（Histone H1）は、真核生物の細胞核に存在する、染色体構造の基本単位であるクロマチンを構成する主要なタンパク質群、ヒストンファミリーの一種です。ヒストンにはH2A、H2B、H3、H4と呼ばれるコアヒストンと、リンカーヒストンに分類されるH1があります。コアヒストンがDNAに巻き付いてヌクレオソーム（クロマチンの最小単位である「ビーズ」のような構造）を形成するのに対し、H1はヌクレオソーム同士をつなぐDNA（リンカーDNA）に結合する役割を担います。

ヒストンH1は、全体的に保存性の高いタンパク質ですが、ヒストンファミリーの中では生物種による配列の違いが比較的大きいという特徴を持ちます。

構造

動物のヒストンH1タンパク質は、特徴的な構造をしています。中央には球状のコア領域があり、そこから比較的長いC末端と短いN末端の尾部（テール）が伸びています。この球状ドメインはH1の中で最もアミノ酸配列の保存性が高い部分です。一方、原生生物や細菌に存在するH1に似たタンパク質（ヌクレオタンパク質HC1/HC2）は、中央の球状ドメインとN末端テールを欠いています。

H1は、ヌクレオソームが数珠のように連なった構造（「数珠状」構造）を、さらに折りたたんでより高次の、より凝縮されたクロマチン構造へと変化させるのに貢献していますが、その詳しい仕組みについてはまだ解明されていない部分が多くあります。

機能

前述の通り、H1はコアヒストンとは異なり、ヌクレオソームの核となる部分には含まれません。その代わりに、ヌクレオソームの外側に位置し、特にヌクレオソーム間のリンカーDNA領域に結合します。1つのヌクレオソームは、4種類のコアヒストンがそれぞれ2分子ずつ集まって構成されますが、H1は通常1分子が結合します。

H1のヌクレオソームおよびリンカーDNAへの結合は、クロマチンが高次の構造（例えば、30 nm線維と呼ばれるより凝縮された構造）を形成し、これを安定化させるのに役立つと考えられています。実験的に、精製または再構成されたクロマチンからH1を除去すると、クロマチンの凝縮が失われ、「数珠状」構造に戻りやすくなることが示されています。

H1が、リンカーDNAの露出部分を短くすることでクロマチン線維の形成を促進するのか、あるいはリンカーDNAの長さに影響を与えず、単に隣接するヌクレオソームの角度を変化させることで凝縮を促すのかは明確ではありません。しかし、in vitroの実験では、H1がクロマチンの凝縮を促進することが示されています。

また、ヌクレアーゼ分解やDNAフットプリンティングといった実験からは、ヒストンH1の球状ドメインが、ヌクレオソーム上のDNAの特定の位置（ダイアドと呼ばれる、DNAの巻き付きの中心軸に近い部分）の近くに結合することが示唆されています。H1が存在することで、ヌクレオソームに結合するDNAの範囲が約15～30塩基対ほど広がることも分かっています。

H1の機能については完全に一致した見解ばかりではありませんが、一般的に受け入れられているモデルでは、H1の球状ドメインがヌクレオソームへの入り口と出口のDNAを橋渡しして固定し、尾部がリンカーDNAに結合してそのマイナスの電荷を中和することで、クロマチン構造を安定化させていると考えられています。

ただし、これらの知見の多くは試験管内の実験や精製されたクロマチンを用いたものであり、生きた細胞内（in vivo）でのH1の役割にはまだ不明な点が多く残されています。細胞を用いた研究では、H1を過剰に作らせると細胞核の形やクロマチン構造に異常が生じること、特定の遺伝子の働き（転写）を促進することも抑制することもある両面性を持つことなどが示されています。例えば、ツメガエルの卵抽出液を使った実験では、H1を取り除くと細胞分裂時の染色体が約2倍に伸び、逆に過剰に存在すると染色体が過剰に凝縮して分離できなくなることが観察されています。

多細胞生物では、H1は複数の種類（アイソフォーム）が存在し、完全に全てのH1を同時に除去することは難しいため、様々な生物（テトラヒメナ、シロイヌナズナ、線虫、ショウジョウバエ、マウスなど）を用いて、特定あるいは複数のアイソフォームを部分的に取り除く実験が行われています。これらの実験からは、生物種や除去したアイソフォームによって、核の形態、クロマチン構造、DNAのメチル化状態、特定の遺伝子の発現などに様々な影響が現れることが分かってきています。

ダイナミクス（動き）

核内のヒストンH1の大部分はクロマチンに結合していますが、H1分子はクロマチン構造の間を比較的速い速度で行き来している（交換されている）ことが知られています。このような動的なタンパク質が、どのようにして安定したクロマチン構造を形作る要素となり得るのかは興味深い点です。研究からは、細胞核内の定常状態において、H1はクロマチンに結合した状態が熱力学的に有利であることが示唆されています。これは、H1が活発に動き回っていても、常に大多数の分子がクロマチンに結合している状態にあることを意味します。

H1の動的な結合は、DNAに物理的な力がかかったり、クロマチンが組み立てられたりする際に、DNAの圧縮や安定化に寄与することが示されています。これにより、ヌクレオソームを取り外す必要がある状況下でもDNAが保護される可能性が考えられています。

クロマチン上でのH1の動的な交換には、細胞質の何らかの因子が必要であると考えられていますが、具体的にどの因子かはまだ特定されていません。また、H1の動きの一部は、O-グリコシル化やリン酸化といった翻訳後修飾によって調節されている可能性があります。例えば、O-グリコシル化はクロマチンの凝縮を促進する可能性があり、間期におけるH1のリン酸化はクロマチンへの結合力を弱め、クロマチンの構造が緩んで遺伝子発現が活発になるのを助ける可能性があります。一方、細胞分裂期におけるリン酸化は逆にH1と染色体の結合力を強め、染色体の凝縮を促進することが示されています。

アイソフォーム（種類の多様性）

動物のH1ファミリーには、複数の異なるH1の種類、すなわちアイソフォームが存在します。これらのアイソフォームの中には、特定の組織や発生段階でのみ多く作られるものや、重複して存在する領域で発現しているものがあります。なぜ複数のアイソフォームが存在するのか、その完全な理由は明らかではありません。しかし、ウニからヒトに至るまで進化的にこれらのアイソフォームが保存されていることや、アイソフォーム間でアミノ酸配列が大きく異なることから、これらが単に同じ機能を持つわけではなく、それぞれが独自の機能や役割を持っていることが示唆されています。

特定の例として、鳥類の赤血球に特異的に存在する「ヒストンH5」と呼ばれるアイソフォームがあります。また、卵母細胞や受精卵に多く見られるアイソフォーム「H1M」（B4やH1fooとも呼ばれます）は、ウニ、カエル、マウス、ヒトなどで確認されており、発生が進むにつれて体細胞型のアイソフォーム（H1A–Eなど）や、H5に似たH1.0アイソフォームに置き換わっていきます。H1Mは、体細胞型のアイソフォームと比較して、負の電荷が多いにもかかわらず、ツメガエルの卵抽出液中の細胞分裂期染色体に対してより強く結合することが示されています。

翻訳後修飾

他のヒストンと同様に、ヒストンH1ファミリーも多様な翻訳後修飾を受けます。これには、セリンやスレオニンへのリン酸基の付加（リン酸化）、リジンへのアセチル基やメチル基の付加（アセチル化、メチル化）、ユビキチンと呼ばれる小さなタンパク質の付加（ユビキチン化）などが含まれます。これらの翻訳後修飾は様々な機能を持つと考えられていますが、他のコアヒストンの翻訳後修飾と比較すると、H1の修飾に関する研究はまだ十分に進んでいません。

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