โปรตีน HMGN ( High-Mobility Group Nucleosome-binding ) เป็นสมาชิกของกลุ่มโปรตีนโครโมโซมที่มีความคล่องตัวสูง (HMG) ซึ่งมีบทบาทในการควบคุม การถอดรหัสการจำลองแบบ การรวมตัวใหม่และการซ่อมแซม DNA

HMGN1และHMGN2 (เดิมกำหนดเป็น HMG-14 และ HMG-17 ตามลำดับ) ถูกค้นพบโดยกลุ่มวิจัยของ EW Johns ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 ^{[ 1 ]} HMGN3 , HMGN4และHMGN5ถูกค้นพบในภายหลังและมีปริมาณน้อยกว่า HMGN เป็นโปรตีนที่จับกับนิวคลีโอโซมซึ่งช่วยในการถอดรหัส การจำลองแบบ การรวมตัวใหม่ และการซ่อมแซม DNA นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนแปลง ภูมิทัศน์ เอพิเจเนติกของโครมาติน ช่วยให้เซลล์คงเอกลักษณ์ไว้ได้^{[ 2 ]} ยังคงมีข้อมูลค่อนข้างน้อยเกี่ยวกับโครงสร้างและหน้าที่ของพวกมัน^{[ 1 ]}โปรตีน HMGN พบได้ในสัตว์มีกระดูกสันหลังทุกชนิด และมีบทบาทในโครงสร้างโครมาตินและการดัดแปลงฮิสโตน^{[ 3 ]} HMGN ประกอบด้วยกรดอะมิโนสายยาว โดยมีประมาณ 100 ตัวสำหรับ HMGN1-4 และประมาณ 200 ตัวใน HMGN5 ^{[ 3 ]}การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับตระกูล HMGN มุ่งเน้นไปที่ผลกระทบต่อเอกลักษณ์ของเซลล์ และความสัมพันธ์ระหว่างการลดลงของ HMGN กับการเหนี่ยวนำการสร้างโปรแกรมใหม่ของไฟโบรบลาสต์ตัวอ่อนของหนู (MEFs) ^{[ 2 ]}

งานวิจัยส่วนใหญ่ที่ทำเกี่ยวกับโปรตีน HMGN นั้นทำในหลอดทดลอง ในขณะที่มีงานวิจัยค่อนข้างน้อยเกี่ยวกับหน้าที่และบทบาทของโปรตีน HMGN ในสิ่งมีชีวิต

เนื่องจากโปรตีนเหล่านี้ส่วนใหญ่พบในยูคาริโอตชั้นสูง การใช้จุลินทรีย์และยูคาริโอตชั้นต่ำอื่นๆ จึงถือว่าไม่เพียงพอที่จะระบุบทบาทของโปรตีน HMGN ในร่างกาย^{[ 4 ​​]}มีการศึกษาโดยใช้หนูที่ถูกตัดยีนออกเพื่อดูผลกระทบใดๆ ที่โปรตีน HMGN มีต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ผลที่ได้คือหนูแสดงความไวต่อรังสี UV เพิ่มขึ้นเมื่อมีระดับ HMGN น้อยกว่าปกติ (2) ซึ่งบ่งชี้ว่า HMGN อาจช่วยซ่อมแซมความเสียหายจากรังสี UV การเพิ่มขึ้นของความไวแบบเดียวกันนี้พบในหนูเมื่อสัมผัสกับรังสีแกมมา อย่างไรก็ตาม กระบวนการของเซลล์ที่ซ่อมแซม DNA ในทั้งสองกรณีนั้นแตกต่างกันอย่างมาก ทำให้ยังไม่สามารถสรุปได้ว่าโปรตีน HMGN ช่วยซ่อมแซม DNA ในร่างกายหรือไม่^{[ 5 ]}

HMGN1 และ HMGN2 ไม่ได้อยู่ร่วมกันในเซลล์ที่มีชีวิต^{[ 4 ]}นี่เป็นข้อบ่งชี้ถึงบทบาทที่แตกต่างกันที่เป็นไปได้ของ HMGN แต่ละตัว^{[ 4 ]}

โปรตีน HMGN เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มโปรตีนที่กว้างกว่าที่เรียกว่าโปรตีนโครโมโซมกลุ่มที่มีการเคลื่อนที่สูง (HMG) กลุ่มที่ใหญ่กว่านี้ได้รับการตั้งชื่อเช่นนี้เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ทางไฟฟ้าสูงในเจลโพลีอะคริลาไมด์ และถูกแบ่งออกเป็น 3 กลุ่มที่แตกต่างกันแต่เกี่ยวข้องกัน โดยหนึ่งในนั้นคือโปรตีน HMGN ^{[ 7 ]}ตระกูล HMGN สามารถแบ่งย่อยออกเป็นโปรตีนเฉพาะ ได้แก่ HMGN1, HMGN2, HMGN3, HMGN4 และ HMGN5 ขนาดโดยรวมของโปรตีนแต่ละชนิดจะแตกต่างกันไป แต่ HMGN1-4 โดยเฉลี่ยมีกรดอะมิโน 100 ตัว^{[ 1 ]}ในขณะที่โปรตีน HMGN5 ที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นมีความยาวมากกว่า 300 กรดอะมิโนในหนู และมีความยาวประมาณ 200 ในมนุษย์^{[ 3 ]}

HMGN1 และ HMGN2 เป็นโปรตีน HMGN ที่พบได้บ่อยที่สุด วัตถุประสงค์และหน้าที่หลักคือการลดการอัดแน่นของโครมาตินในเซลล์โดยการจับกับนิวคลีโอโซม^{[ 8 ]}หลักฐานจาก NMR แสดงให้เห็นว่าการลดการอัดแน่นเกิดขึ้นเมื่อโปรตีนกำหนดเป้าหมายไปยังองค์ประกอบหลักที่รับผิดชอบต่อการอัดแน่นของโครมาติน^{[ 1 ]}โปรตีนเหล่านี้มีอัตราการแสดงออกที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ที่มันปรากฏอยู่ บริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงจะมีระดับการแสดงออกลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณที่ยังไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่ง HMGN1 และ HMGN2 มีการแสดงออกสูง^{[ 8 ]}

HMGN3 มีสองรูปแบบ คือ HMGN3a และ HMGN3b ^{[ 1 ]}แตกต่างจากโปรตีน HMGN1 และ HMGN2 โปรตีน HMGN3 ทั้งสองรูปแบบมีแนวโน้มที่จะจำเพาะต่อเนื้อเยื่อและการพัฒนา^{[ 1 ]}พวกมันจะถูกแสดงออกเฉพาะในเนื้อเยื่อบางชนิดในช่วงการพัฒนาที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น ไม่มีการเลือกเนื้อเยื่อใดเป็นพิเศษสำหรับโปรตีน HMGN3 ทั้งสองรูปแบบ มีความเป็นไปได้เท่ากันที่จะปรากฏอยู่ในเนื้อเยื่อที่มีการแสดงออกของ HMGN3 สูง^{[ 8 ]}สมองและดวงตาโดยเฉพาะเป็นบริเวณที่มีการแสดงออกของ HMGN3 อย่างมาก เช่นเดียวกับเซลล์เกาะตับอ่อนในผู้ใหญ่^{[ 1 ]}มีการแสดงให้เห็นว่าการสูญเสีย HMGN3 ในหนูทำให้เกิดโรคเบาหวานเล็กน้อยเนื่องจากการหลั่งอินซูลินที่ไม่มีประสิทธิภาพ^{[ 9 ]}

การค้นพบ HMGN4 เกิดขึ้นโดย GenBank ระหว่างการค้นหาฐานข้อมูลและระบุว่าเป็น "ทรานสคริปต์ที่คล้ายกับ HMGN2 ใหม่" ซึ่งบ่งชี้ว่า HMGN4 มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับ HMGN2 ^{[ 1 ]}มีการวิจัยเกี่ยวกับโปรตีน HMGN4 น้อยมาก ยีนที่เกี่ยวข้องกับการผลิต HMGN4 ตั้งอยู่ในบริเวณที่เกี่ยวข้องกับโรคจิตเภทบนโครโมโซม 6 ^{[ 8 ]}จนถึงปัจจุบัน HMGN ทุกชนิดได้รับการระบุในสัตว์มีกระดูกสันหลัง แต่ HMGN4 ได้รับการพบและระบุเฉพาะในไพรเมตเท่านั้น^{[ 1 ]}ในมนุษย์ HMGN4 แสดงระดับการแสดงออกสูงในต่อมไทรอยด์ ต่อมไทมัส และต่อมน้ำเหลือง^{[ 1 ]}

โปรตีน HMGN รุ่นล่าสุดคือ HMGN5 ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่า HMGN รุ่นก่อนๆ โดยมีกรดอะมิโนมากกว่า 300 ตัว เนื่องมาจากโดเมน C-terminal ที่ยาวและแตกต่างกันไปตามสายพันธุ์ ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมหนูและมนุษย์จึงมี HMGN5 ที่มีขนาดแตกต่างกัน^{[ 1 ]}หน้าที่ทางชีวภาพของมันยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่มีการแสดงออกในกระบวนการพัฒนาของรก^{[ 8 ]}นอกจากนี้ยังมีกรณีที่ HMGN5 พบในเนื้องอกของมนุษย์ เช่น มะเร็งต่อมลูกหมาก มะเร็งเต้านม มะเร็งปอด เป็นต้น^{[ 1 ]}ด้วยเหตุนี้ จึงเชื่อว่า HMGN5 อาจมีความเชื่อมโยงกับมะเร็งและอาจเป็นเป้าหมายที่มีศักยภาพสำหรับการบำบัดมะเร็งในอนาคต

ตำแหน่งของ HMGN ในระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสเป็นหัวข้อของการศึกษาหลายเรื่อง การระบุช่วงเวลาของการจัดระเบียบภายในนิวเคลียสในช่วงต่างๆ ของวงจรเซลล์นั้นทำได้ยากมาก มีโปรตีนในนิวเคลียสจำนวนมากและพบได้ทั่วไปซึ่งจับกับโครมาตินโดยไม่ระบุลำดับดีเอ็นเอ ซึ่งประกอบด้วยตระกูล HMGA, HMBG และ HMGN HMGA จะจับกับโครมาตินตลอดวงจรเซลล์ โดยอยู่ที่โครงสร้างของโครโมโซมในระยะเมตาเฟส ทั้ง HMGB และ HMGN จะจับกับโครโมโซมในระยะไมโทซิส ปฏิสัมพันธ์ของ HMG ทั้งหมดกับโครมาตินนั้นมีความเปลี่ยนแปลงสูง โปรตีนเคลื่อนที่ไปมาทั่วทั้งนิวเคลียสอย่างต่อเนื่อง

ตัวอย่างนิวคลีโอโซมสำหรับตำแหน่งการจับที่อาจเกิดขึ้นในลักษณะ "หยุดและไป" โดยขั้นตอน "หยุด" จะยาวกว่าขั้นตอน "ไป" จากการใช้การศึกษาอิมมูโนฟลูออเรสเซนซ์ การถ่ายภาพเซลล์มีชีวิต การทดสอบการเคลื่อนที่ของเจล และการเสริมฟลูออเรสเซนซ์แบบไบโมเลคูลาร์ ทำให้สามารถกำหนดสิ่งข้างต้นได้ และยังเปรียบเทียบคุณสมบัติการจับโครมาตินของโปรตีน HMGN ชนิดป่าและชนิดกลายพันธุ์ด้วย สรุปได้ว่า HMGN สามารถเชื่อมโยงกับโครมาตินในระยะไมโทซิสได้ อย่างไรก็ตาม การจับของ HMGN กับโครมาตินในระยะไมโทซิสไม่ได้ขึ้นอยู่กับโดเมนการจับนิวคลีโอโซมของ HMGN ที่ทำงานได้ และอ่อนกว่าการจับกับนิวคลีโอโซมในระยะอินเตอร์เฟส ซึ่ง HMGN จะสร้างคอมเพล็กซ์เฉพาะกับนิวคลีโอโซม^{[ 10 ]}

นิวคลีโอโซมทำหน้าที่เป็นแกนโปรตีน (สร้างจากฮิสโตน 8 ตัว) สำหรับให้ DNA พันรอบ ทำหน้าที่เป็นฐานสำหรับโครงสร้างโครมาตินที่ใหญ่ขึ้นและหนาแน่นขึ้นของโครโมโซม โปรตีน HMGN แข่งขันกับฮิสโตน H1 (ฮิสโตนเชื่อมโยงที่ไม่ใช่ส่วนหนึ่งของแกนนิวคลีโอโซม) สำหรับตำแหน่งการจับนิวคลีโอโซม^{[ 11 ]}เมื่อโปรตีนหนึ่งถูกครอบครองแล้ว จะไม่สามารถแทนที่โปรตีนอื่นได้ อย่างไรก็ตาม โปรตีนทั้งสองไม่ได้เชื่อมโยงกับนิวคลีโอโซมอย่างถาวรและสามารถถูกกำจัดออกไปได้ผ่านการดัดแปลงหลังการถอดรหัส ในกรณีของโปรตีน HMGN โปรตีนไคเนส C (PKC) สามารถฟอสโฟรีเลตกรดอะมิโนซีรีนในโดเมนการจับนิวคลีโอโซมที่มีอยู่ใน HMGN ทุกรูปแบบ^{[ 12 ]}สิ่งนี้ทำให้ HMGN มีลักษณะเคลื่อนที่ได้ เนื่องจากสามารถจับและแยกออกจากนิวคลีโอโซมได้อย่างต่อเนื่องขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมภายในเซลล์และการส่งสัญญาณ

การแข่งขันอย่างดุเดือดระหว่าง HMGN และ H1 มีบทบาทสำคัญในการปรับโครงสร้างโครมาติน และส่งผลให้มีบทบาทในวงจรเซลล์และการแบ่งเซลล์ โดยการอัดแน่นและการคลายตัวของโครมาตินจะเป็นตัวกำหนดว่ายีนบางตัวจะถูกแสดงออกหรือไม่ การอะเซทิเลชันของฮิสโตนโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับโครมาตินแบบเปิด และการเมทิลเลชันของฮิสโตนโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับโครมาตินแบบปิด

การใช้ChIP-sequencingทำให้สามารถศึกษา DNA ที่จับคู่กับโปรตีนเพื่อกำหนดชนิดของการดัดแปลงฮิสโตนที่มีอยู่เมื่อนิวคลีโอโซมจับกับ H1 หรือ HMGN ได้ จากการใช้วิธีนี้พบว่าการมีอยู่ของ H1 สอดคล้องกับระดับสูงของH3K27me3และ H3K4me3 ซึ่งหมายความว่าฮิสโตน H3 มีการเมทิลเลชั่นอย่างมาก แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างโครมาตินปิดอยู่^{[ 13 ]}นอกจากนี้ยังพบว่าการมีอยู่ของ HMGN สอดคล้องกับระดับสูงของH3K27acและH3K4me1ซึ่งในทางกลับกันหมายความว่าการเมทิลเลชั่นของฮิสโตน H3 ลดลงอย่างมาก แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างโครมาตินเปิดอยู่^{[ 13 ]}

แม้ว่าบทบาทของ HMGN ยังอยู่ระหว่างการวิจัย แต่ก็เป็นที่ชัดเจนว่าการขาด HMGN ในการศึกษาแบบน็อคเอาท์ (KO) และน็อคดาวน์ (KD) ส่งผลให้กิจกรรมการถอดรหัสโดยรวมของเซลล์แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ มีการศึกษาทางด้านทรานสคริปโตมหลายชิ้นที่แสดงให้เห็นว่ายีนอื่นๆ อีกหลายตัวไม่ได้รับการควบคุมหรือถูกควบคุมลดลงเนื่องจากการขาด HMGN

ที่น่าสนใจคือ ในกรณีของ HMGN1&2 การกำจัด HMGN1 หรือ HMGN2 เพียงอย่างเดียวส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในยีนเพียงไม่กี่ตัว แต่เมื่อคุณกำจัดทั้ง HMGN1&2 ผลกระทบจะเด่นชัดมากขึ้นในแง่ของการเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมของยีน ตัวอย่างเช่น ในสมองของหนู เมื่อกำจัด HMGN1 เพียงอย่างเดียว มีเพียง 1 ยีนเท่านั้นที่ถูกควบคุมให้ทำงานมากขึ้น เมื่อกำจัด HMGN2 เพียงอย่างเดียว ยีน 19 ตัวถูกควบคุมให้ทำงานมากขึ้น และ 29 ตัวถูกควบคุมให้ทำงานน้อยลง แต่เมื่อกำจัดทั้ง HMGN1&2 ยีน 50 ตัวถูกควบคุมให้ทำงานมากขึ้น และ 41 ตัวถูกควบคุมให้ทำงานน้อยลง^{[ 13 ]}หากคุณรวมผลรวมของการกำจัด HMGN1 และ HMGN2 คุณจะไม่ได้รับผลลัพธ์เดียวกันกับการกำจัด HMGN1&2 แบบคู่ (double knock out)

สิ่งนี้ถูกอธิบายว่าเป็นการชดเชยการทำงาน เนื่องจากทั้ง HMGN1 และ HMGN2 มีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อยในแง่ของโครงสร้างโปรตีนและโดยพื้นฐานแล้วทำหน้าที่เหมือนกัน พวกมันมีความสัมพันธ์กับไซต์การจับนิวคลีโอโซมในระดับเดียวกัน นั่นหมายความว่าบ่อยครั้งหาก HMGN1 หายไป HMGN2 สามารถเข้ามาแทนที่ได้ และในทางกลับกัน จากการใช้ ChIP-seq พบว่าในโครโมโซมของหนูมีไซต์ 16.5K ที่ทั้ง HMGN1 และ HMGN2 สามารถจับได้ 14.6K ไซต์ที่มีความชอบ HMGN1 และเพียง 6.4K ไซต์ที่มีความชอบ HMGN2 ความแตกต่างในกิจกรรมของ HMGN1 และ HMGN2 เด่นชัดในสมอง ต่อมไทมัส ตับ และม้าม ซึ่งบ่งชี้ว่า HMGN สายพันธุ์ต่างๆ ยังมีบทบาทเฉพาะนอกเหนือจากการทำงานที่ทับซ้อนกัน^{[ 13 ]}

ฟังก์ชันการทำงานที่ทับซ้อนกันนี้อาจดูเหมือนซ้ำซ้อนหรือเป็นอันตรายด้วยซ้ำ อย่างไรก็ตาม โปรตีนเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญของกระบวนการต่างๆ ในเซลล์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแบ่งตัวและการเกิดตัวอ่อน เนื่องจากเป็นวิธีการสำหรับการสร้างแบบจำลองโครมาตินแบบไดนามิก ตัวอย่างเช่น ในตัวอ่อนของหนู ในระหว่างการพัฒนาของดวงตา การแสดงออกของ HMGN1, 2 และ 3 ^{[ 14 ]}จะเพิ่มสูงขึ้นในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาของดวงตาในเซลล์ต้นกำเนิด แต่จะลดลงในเซลล์ที่เพิ่งก่อตัวและเซลล์ที่มีชะตากรรม เช่น เซลล์เส้นใยเลนส์ ในทางตรงกันข้าม HMGN2 ยังคงมีระดับสูงในเซลล์ดวงตาของตัวอ่อนและตัวเต็มวัย พบว่า HMGN3 มีระดับสูงเป็นพิเศษที่อายุ 2 สัปดาห์ (สำหรับหนูตัวเต็มวัย) ในนิวเคลียสชั้นในและเซลล์แกงลีออน ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีการกระจายตัวของ HMGN ที่ไม่สม่ำเสมอในเซลล์ก่อนกำหนดชะตากรรมและเซลล์ตัวเต็มวัย

ในการพัฒนาสมองของมนุษย์ HMGN ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นองค์ประกอบสำคัญของการแบ่งแยกเซลล์ประสาทและมีระดับสูงขึ้นในเซลล์ต้นกำเนิดประสาท (เซลล์ต้นกำเนิดประสาท) ตัวอย่างเช่น ในการศึกษาแบบน็อคดาวน์ การสูญเสีย HMGN1,2 และ 3 ส่งผลให้จำนวนเซลล์แอสโทรไซต์ลดลงและจำนวนเซลล์ต้นกำเนิดประสาทเพิ่มขึ้น^{[ 15 ]}

ในการสร้างความแตกต่างของโอลิโกเดนโดรไซต์ HMGN มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเมื่อ HMGN1 และ HMGN2 ถูกน็อคเอาท์ทั้งคู่ จำนวนประชากรของโอลิโกเดนโดรไซต์ในเนื้อเยื่อไขสันหลังลดลง 65% ^{[ 16 ]}อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการชดเชยการทำงาน ผลกระทบนี้จึงไม่เกิดขึ้นเมื่อ HMGN1 หรือ HMGN2 ถูกน็อคเอาท์เพียงอย่างเดียว การสังเกตนี้ไม่ใช่เพียงแค่ความสัมพันธ์ จากการวิเคราะห์ ChIP-seq แสดงให้เห็นว่าการสร้างแบบจำลองโครมาตินที่ยีน OLIG1 และ 2 (ปัจจัยการถอดรหัสที่เกี่ยวข้องกับการสร้างความแตกต่างของโอลิโกเดนโดรไซต์) อยู่ในโครงสร้างแบบเปิดและมี HMGN จับกับนิวคลีโอโซม

อาจอนุมานได้ว่าความซ้ำซ้อนนี้เป็นประโยชน์อย่างแท้จริง เนื่องจากอย่างน้อยที่สุดการมี HMGN รูปแบบใดรูปแบบหนึ่งจะช่วยปรับปรุงการแยกแยะและการพัฒนาของเนื้อเยื่อได้อย่างมาก ผลการค้นพบเหล่านี้สรุปไว้ในรูปทางด้านขวา

• กลุ่มที่มีความคล่องตัวสูง

• HMGN+โปรตีน ใน หัวข้อทางการ แพทย์ (MeSH) ของหอสมุดแห่งชาติสหรัฐอเมริกา