Гистонацетилтрансферазы ( HAT ) — это ферменты , которые ацетилируют консервативные аминокислоты лизина на гистоновых белках, перенося ацетильную группу с ацетил-КоА с образованием ε- N -ацетиллизина. ДНК обертывается вокруг гистонов, и, перенося ацетильную группу на гистоны, гены могут включаться и выключаться. В целом, ацетилирование гистонов увеличивает экспрессию генов.
В целом, ацетилирование гистонов связано с активацией транскрипции и ассоциируется с эухроматином . Эухроматин, который менее плотно компактен, позволяет факторам транскрипции легче связываться с регуляторными участками на ДНК, вызывая активацию транскрипции. Когда это было впервые обнаружено, считалось, что ацетилирование лизина нейтрализует положительный заряд , обычно присутствующий, тем самым уменьшая сродство между гистоном и (отрицательно заряженной) ДНК, что делает ДНК более доступной для факторов транскрипции . С тех пор появились исследования, показывающие, что ацетилирование лизина и другие посттрансляционные модификации гистонов генерируют сайты связывания для специфических доменов взаимодействия белок-белок, таких как ацетиллизин-связывающий бромодомен [ необходима цитата ] . Гистонацетилтрансферазы также могут ацетилировать негистоновые белки, такие как ядерные рецепторы и другие факторы транскрипции, чтобы облегчить экспрессию генов.
HAT традиционно делятся на два различных класса на основе их субклеточной локализации. [2] HAT типа A расположены в ядре и участвуют в регуляции экспрессии генов посредством ацетилирования нуклеосомных гистонов в контексте хроматина. [3] Они содержат бромодомен , который помогает им распознавать и связываться с ацетилированными остатками лизина на гистоновых субстратах. Gcn5, p300/CBP и TAF II 250 являются некоторыми примерами HAT типа A, которые взаимодействуют с активаторами для усиления транскрипции. HAT типа B расположены в цитоплазме и отвечают за ацетилирование вновь синтезированных гистонов перед их сборкой в нуклеосомы . У этих HAT отсутствует бромодомен, поскольку их мишени неацетилированы. Ацетильные группы, добавленные HAT типа B к гистонам, удаляются HDAC после того, как они попадают в ядро, и включаются в хроматин . Hat1 — один из немногих известных примеров HAT типа B. [4] Несмотря на эту историческую классификацию HAT, некоторые белки HAT функционируют в нескольких комплексах или местах и, таким образом, не могут быть легко отнесены к определенному классу. [5]
HAT можно сгруппировать в несколько различных семейств на основе гомологии последовательностей, а также общих структурных особенностей и функциональных ролей. Семейство N -ацетилтрансфераз (GNAT), связанных с Gcn5, включает Gcn5, PCAF , Hat1, Elp3 , Hpa2, Hpa3, ATF-2 и Nut1. Эти HAT обычно характеризуются наличием бромодомена, и обнаружено, что они ацетилируют остатки лизина на гистонах H2B , H3 , [6] и H4 . [2] Все члены семейства GNAT характеризуются наличием до четырех консервативных мотивов (AD), обнаруженных в каталитическом домене HAT. Сюда входит наиболее высококонсервативный мотив A, который содержит последовательность Arg/Gln-XX-Gly-X-Gly/Ala, которая важна для распознавания и связывания ацетил-КоА . [4] Мотив C обнаружен в большинстве GNAT, но он отсутствует в большинстве других известных HAT. [5] Дрожжевой Gcn5 (общий контроль нерепрессируемый-5) HAT является одним из наиболее хорошо охарактеризованных членов этого семейства. Он имеет четыре функциональных домена, включая N-концевой домен, высококонсервативный каталитический (HAT) домен, домен взаимодействия Ada2 и C-концевой бромодомен. PCAF (p300/CBP-ассоциированный фактор) и GCN5 являются млекопитающими GNAT, которые имеют высокую степень гомологии во всех своих последовательностях. Эти белки имеют N-концевую область из 400 остатков, которая отсутствует в дрожжевом Gcn5, но их функции HAT эволюционно консервативны по отношению к последнему. Hat1 был первым белком HAT, который был идентифицирован. Он отвечает за большую часть цитоплазматической активности HAT в дрожжах и прочно связывается с гистоном H4 благодаря своей ассоциации с дополнительной субъединицей, Hat2. Elp3 является примером HAT типа A, обнаруженного в дрожжах. Он является частью голофермента РНК-полимеразы II и играет роль в транскрипционной элонгации .
Семейство HAT MYST названо в честь его четырех основателей MOZ , Ybf2 (Sas3), Sas2 и Tip60 . [2] Другие важные члены включают Esa1 , MOF , MORF и HBO1 . Эти HAT обычно характеризуются наличием цинковых пальцев и хромодоменов , и обнаружено, что они ацетилируют остатки лизина на гистонах H2A , H3 и H4. Несколько белков семейства MYST содержат цинковые пальцы, а также высококонсервативный мотив A, обнаруженный среди GNAT, который облегчает связывание ацетил-КоА. [4] Богатая цистеином область, расположенная на N-конце домена HAT белков MYST, участвует в связывании цинка, что необходимо для активности HAT. [7] Tip60 (белок, взаимодействующий с Tat, 60 кДа) был первым членом семейства MYST человека, проявившим активность HAT. Sas3, обнаруженный в дрожжах, является гомологом MOZ (белок цинкового пальца моноцитарного лейкоза), который является онкогеном, обнаруженным у людей. Esa1 был первым необходимым HAT, обнаруженным в дрожжах, а MOF является его гомологом у плодовых мушек. Активность HAT последнего необходима для двукратного увеличения транскрипции мужской X-хромосомы ( дозовая компенсация ) у мух. Человеческий HBO1 (HAT, связанный с ORC1) был первым HAT, который, как было показано, связывается с компонентами комплекса начала репликации . MORF (фактор, связанный с MOZ) демонстрирует очень близкую гомологию с MOZ по всей своей длине. [5] Он содержит N-концевую область репрессии, которая снижает его активность HAT in vitro , а также C-концевой домен активации, который функционирует в отсутствие домена HAT.
В дополнение к тем, которые являются членами семейств GNAT и MYST, есть несколько других белков, которые обычно обнаруживаются у высших эукариот, которые проявляют активность HAT. К ним относятся p300/CBP, коактиваторы ядерных рецепторов (например, ACTR/SRC-1), TAF II 250, TFIIIC, Rtt109 и CLOCK . p300/CBP являются специфичными для метазоа [8] и содержат несколько областей цинковых пальцев, бромодомен, каталитический (HAT) домен и области, которые взаимодействуют с другими факторами транскрипции. [4] Важно, что домен HAT не показывает гомологии последовательностей с другими известными HAT, [9] и он необходим для p300/CBP для функционирования в транскрипционной активации. [4] Кроме того, эти белки содержат несколько мотивов домена HAT (A, B и D), которые похожи на мотивы GNAT. Они также обладают новым мотивом E, который гомологичен последовательностям в доменах HAT GNAT. TFIIIC является одним из общих факторов транскрипции, участвующих в транскрипции, опосредованной РНК-полимеразой III . Было показано, что три компонента человеческого белка обладают независимой активностью HAT ( hTFIIIC220 , hTFIIIC110 и hTFIIIC90 ). [10] Rtt109 является специфичным для грибков HAT, которому для активности требуется связь с белками-шаперонами гистонов. [8] Активность HAT человеческих коактиваторов TAF II 250 и CLOCK не была изучена так подробно. TAF II 250 является одной из субъединиц фактора, ассоциированного с TBP, TFIID , и он разделяет паттерн Gly-X-Gly с Gcn5, который важен для активности HAT. [5] CLOCK является главным регулятором циркадного ритма, который функционирует с BMAL1 для осуществления своей активности HAT. [11]
Три важных коактиватора ядерных рецепторов, которые проявляют активность HAT, — это SRC-1 , ACTR и TIF-2 . Известно, что человеческий SRC-1 (коактиватор стероидного рецептора-1) взаимодействует с p300/CBP и PCAF, а его домен HAT расположен в его C-концевой области. ACTR (также известный как RAC3, AIB1 и TRAM-1 у людей) имеет значительную гомологию последовательностей с SRC-1, в частности, в N-концевых и C-концевых (HAT) областях, а также в доменах взаимодействия рецептора и коактиватора. [5] ACTR также взаимодействует с p300/CBP и PCAF. Первый может предотвратить связывание ACTR с рецептором и его активацию путем ацетилирования его в домене взаимодействия рецептора. TIF-2 (транскрипционный промежуточный фактор 2; также известный как GRIP1) — еще один коактиватор ядерного рецептора с активностью HAT, который также взаимодействует с p300/CBP.
Ниже представлена таблица, обобщающая различные семейства HAT вместе с их ассоциированными членами, родительскими организмами, мультисубъединичными комплексами, гистоновыми субстратами и структурными особенностями. [2] [5] [8] [10] [12] [13] [14] [15] [16] [17]
В целом, HAT характеризуются структурно консервативной центральной областью, состоящей из трехцепочечной β-слои , за которой следует длинная α-спираль, параллельная ей и охватывающая одну сторону. [7] [8] Центральная область, которая соответствует мотивам A, B и D белков GNAT, [4] фланкирована с противоположных сторон N- и C-концевыми α/β-сегментами, которые структурно уникальны для данного семейства HAT. [7] [8] Центральное ядро и фланкирующие сегменты вместе образуют щель над первым, в которой гистоновые субстраты могут связываться перед катализом. [8] В то время как центральный домен ядра (мотив A в GNAT) участвует в связывании ацетил-КоА и катализе, N- и C-концевые сегменты помогают связывать гистоновые субстраты. [7] Уникальные особенности, связанные с последовательностью и/или структурой N- и C-концевых областей для различных семейств HAT, могут помочь объяснить некоторые наблюдаемые различия между HAT в специфичности гистонового субстрата. Было обнаружено, что связывание CoA расширяет канавку связывания гистонов в центральном ядре за счет перемещения C-концевого сегмента Gcn5 наружу. Кроме того, поскольку контакты между CoA и белком способствуют образованию благоприятных контактов гистон-белок, вероятно, что связывание CoA предшествует связыванию гистонов in vivo .
HAT в семействе GNAT наиболее заметно характеризуются доменом HAT из приблизительно 160 остатков и C-концевым бромодоменом, который связывается с ацетилированными остатками лизина. [7] У тех, кто в семействе MYST, домены HAT имеют длину около 250 остатков. Многие белки MYST также содержат богатый цистеином цинксвязывающий домен в области HAT в дополнение к N-концевому хромодомену, который связывается с метилированными остатками лизина .
В более широком масштабе структуры каталитических доменов белков GNAT (Gcn5, PCAF) демонстрируют смешанную α/β-глобулярную складку с пятью α-спиралями и шестью β-тяжами. [4] Общая топология напоминает тиски с центральным ядром белка в основании и N- и C-концевыми сегментами по бокам.
HAT p300/CBP имеют более крупные домены HAT (около 500 остатков), чем те, которые присутствуют в семействах GNAT и MYST. [7] Они также содержат бромодомен, а также три домена, богатых цистеином/гистидином, которые, как считается, опосредуют взаимодействия с другими белками. Структура p300/CBP характеризуется удлиненным глобулярным доменом, который содержит семицепочечный β-слой в центре, окруженный девятью α-спиралями и несколькими петлями. [9] Структура центральной области ядра, связанной со связыванием ацетил-КоА, сохраняется относительно HAT GNAT и MYST, но существует множество структурных различий в областях, фланкирующих это центральное ядро. В целом структурные данные согласуются с тем фактом, что HAT p300/CBP более беспорядочны, чем HAT GNAT и MYST в отношении связывания субстрата.
Структура Rtt109 очень похожа на структуру p300, несмотря на то, что между двумя белками имеется только 7% идентичности последовательностей. [9] Существует семицепочечный β-слой, который окружен α-спиралями, а также петля, которая участвует в связывании субстрата ацетил-КоА. Несмотря на консервативную структуру, Rtt109 и p300/CBP функционально уникальны. Например, сайт связывания субстрата первого более похож на сайт HAT GNAT и MYST. Кроме того, остатки в активном центре каждого фермента различны, что предполагает, что они используют разные каталитические механизмы для переноса ацетильной группы.
Основной механизм, катализируемый HAT, включает перенос ацетильной группы от ацетил-КоА к ε-аминогруппе целевой боковой цепи лизина в гистоне. [8] Различные семейства HAT используют уникальные стратегии для осуществления такой трансформации.
Члены семейства GNAT имеют консервативный остаток глутамата, который действует как общая основа для катализа нуклеофильной атаки амина лизина на тиоэфирную связь ацетил-КоА. [8] Эти HAT используют упорядоченный последовательный би-би механизм, в котором оба субстрата (ацетил-КоА и гистон) должны связаться, чтобы сформировать тройной комплекс с ферментом, прежде чем может произойти катализ. Ацетил-КоА связывается первым, а затем гистоновый субстрат. Консервативный остаток глутамата (Glu173 в дрожжевом Gcn5) активирует молекулу воды для удаления протона из аминогруппы на лизине, что активирует его для прямой нуклеофильной атаки на карбонильный углерод связанного с ферментом ацетил-КоА. После реакции ацетилированный гистон высвобождается первым, а затем CoA. [4] [8]
Исследования дрожжевого Esa1 из семейства HAT MYST выявили механизм пинг-понга , включающий консервативные остатки глутамата и цистеина. [18] Первая часть реакции включает образование ковалентного промежуточного соединения, в котором остаток цистеина становится ацетилированным после нуклеофильной атаки этого остатка на карбонильный углерод ацетил-КоА. Затем остаток глутамата действует как общее основание для облегчения переноса ацетильной группы от цистеина к гистоновому субстрату способом, аналогичным механизму, используемому GNAT. Когда Esa1 собирается в комплексе пикколо NuA4 , он теряет свою зависимость от остатка цистеина для катализа, что предполагает, что реакция может протекать через тройной би-би механизм, когда фермент является частью физиологически релевантного мультипротеинового комплекса.
В человеческом p300 Tyr1467 действует как общая кислота, а Trp1436 помогает ориентировать целевой остаток лизина гистонового субстрата в активный сайт. [8] Эти два остатка высококонсервативны в семействе HAT p300/CBP и, в отличие от ферментов семейств GNAT и MYST, p300 не использует общую базу для катализа. Скорее всего, члены семейства p300/CBP используют механизм переноса ацетила Теорелла-Чанса (т. е. «hit-and-run»).
Rtt109, вероятно, использует механизм, отличный от механизма других HAT. [9] Фермент дрожжей имеет очень низкую каталитическую активность в отсутствие белков-шаперонов гистонов Asf1 и Vps75, которые могут участвовать в доставке субстратов гистонов к ферменту для ацетилирования. [8] Более того, общая кислота или основание для этого HAT пока не идентифицированы.
Структуры нескольких доменов HAT, связанных с ацетил-КоА и пептидами субстрата гистона, показывают, что последние связываются через бороздку на белке, которая образована центральной областью ядра у основания и фланкирована с противоположных сторон вариабельными N- и C-концевыми сегментами, которые опосредуют большинство взаимодействий с пептидом субстрата. [8] Вероятно, что эти вариабельные области, по крайней мере частично, ответственны за наблюдаемую специфичность различных HAT для различных субстратов гистона.
Члены семейств GNAT и MYST, а также Rtt109 демонстрируют большую селективность к субстрату, чем p300/CBP, который довольно неразборчив в отношении связывания субстрата. [8] В то время как кажется, что для эффективного связывания субстрата и катализа членами семейств GNAT и p300/CBP необходимы только три-пять остатков с каждой стороны лизина, который должен быть ацетилирован, более дистальные области субстрата могут быть важны для эффективного ацетилирования HAT семейства MYST. [19]
Было показано, что различные HAT, обычно в контексте многосубъединичных комплексов, ацетилируют определенные остатки лизина в гистонах.
Gcn5 не может ацетилировать нуклеосомные гистоны в отсутствие других белковых факторов. [5] Однако в контексте таких комплексов, как SAGA и ADA, Gcn5 способен ацетилировать H3K14 среди других сайтов в гистонах H2B, H3 и H4 (например, H3K9, H3K36, H4K8, H4K16). [3] [4] [7] [19] Как Gcn5, так и PCAF имеют самое сильное предпочтение сайта для H3K14, как в виде свободного гистона, так и в составе нуклеосомы. [4] [7] Hat1 ацетилирует H4K5 и H4K12, а Hpa2 ацетилирует H3K14 in vitro . [4] [5]
У мух ацетилирование H4K16 на мужской X-хромосоме с помощью MOF в контексте комплекса MSL коррелирует с транскрипционной регуляцией как механизмом дозовой компенсации у этих организмов. [2] У людей комплекс MSL осуществляет большую часть ацетилирования H4K16 по всему геному. В контексте их родственных комплексов Sas2 (SAS) и Esa1 (NuA4) также осуществляют ацетилирование H4K16, в частности, в теломерных областях хромосом. Также наблюдается, что Sas2 ацетилирует H3K14 in vitro на свободных гистонах. [12] Esa1 также может ацетилировать H3K14 in vitro на свободных гистонах, а также H2AK5, H4K5, H4K8 и H4K12 либо in vitro , либо in vivo на нуклеосомных гистонах. H2AK7 и H2BK16 также ацетилируются Esa1 in vivo . Примечательно, что ни Sas2, ни Esa1 не могут ацетилировать нуклеосомные гистоны in vitro как свободный фермент. Это также относится к Sas3, который, как наблюдалось, ацетилирует H3K9 и H3K14 in vivo , а также остатки лизина на H2A и H4. MOZ также может ацетилировать H3K14. [19]
p300/CBP одинаково хорошо ацетилируют все четыре гистона нуклеосомного ядра. [4] In vitro они, как было обнаружено, ацетилируют H2AK5, H2BK12, H2BK15, H3K14, H3K18, H4K5 и H4K8. [5] SRC-1 ацетилирует H3K9 и H3K14, TAF II 230 (гомолог Drosophila человеческого TAF II 250) ацетилирует H3K14, а Rtt109 ацетилирует H3K9, H3K23, [19] и H3K56 в присутствии Asf1 или Vps75. [9]
В дополнение к основным гистонам, некоторые HAT ацетилируют ряд других клеточных белков, включая активаторы транскрипции , базальные факторы транскрипции , структурные белки, полиамины и белки, участвующие в ядерном импорте. [4] Ацетилирование этих белков может изменить их способность взаимодействовать с их родственной ДНК и/или белковыми субстратами. Идея о том, что ацетилирование может влиять на функцию белка таким образом, привела к исследованию роли ацетилтрансфераз в путях передачи сигнала и того, можно ли провести в этом отношении соответствующую аналогию с киназами и событиями фосфорилирования.
PCAF и p300/CBP являются основными HAT, которые, как было обнаружено, ацетилируют ряд негистоновых белков. Для PCAF они включают негистоновые хроматиновые белки ( группа высокой подвижности (HMG) ) HMG-N2/HMG17 и HMG-I(Y) , транскрипционные активаторы p53 , MyoD , E2F(1-3) и HIV Tat , а также общие факторы транскрипции TFIIE и TFIIF . [5] Другие белки включают CIITA , Brm (ремоделер хроматина), NF-κB (p65), TAL1/SCL , Beta2/NeuroD , C/EBPβ , IRF2 , IRF7 , YY1 , KLF13 , EVI1 , AME, ER81 и андрогеновый рецептор (AR) . [20] Также было обнаружено, что PCAF ацетилирует c-MYC , GATA-2 , ретинобластому (Rb) , Ku70 и белок аденовируса E1A . [21] Он также может аутоацетилировать, что облегчает внутримолекулярные взаимодействия с его бромодоменом, которые могут быть вовлечены в регуляцию его активности HAT. [4]
p300/CBP имеет много негистоновых субстратов, включая негистоновые белки хроматина HMG1 , HMG-N1/HMG14 и HMG-I(Y), транскрипционные активаторы p53, c-Myb , GATA-1 , EKLF , TCF и HIV Tat, коактиваторы ядерных рецепторов ACTR, SRC-1 и TIF-2, а также общие факторы транскрипции TFIIE и TFIIF. [5] Другие субстраты включают факторы транскрипции Sp1, KLF5 , FOXO1 , MEF2C , SRY , GATA-4 и HNF-6 , [12] HMG-B2 , [21] STAT3 , рецепторы андрогенов и эстрогенов (α) , GATA-2, GATA-3 , MyoD, E2F(1-3), p73 α, ретинобластому (Rb), NF-κB (p50, p65), Smad7 , импортин-α , Ku70, YAP1 , [22] белок аденовируса E1A и S-HDAg ( малый дельта-антиген вируса гепатита дельта ). [21] Также было обнаружено, что p300/CBP ацетилирует β-катенин , RIP140 , PCNA , ферменты метаболизма ДНК, флап-эндонуклеазу-1 , тиминовую ДНК-гликозилазу и ДНК-хеликазу синдрома Вернера , STAT6 , Runx1 (AML1) , UBF, Beta2/NeuroD, CREB , c-Jun , C/EBPβ, NF-E2 , SREBP , IRF2, Sp3 , YY1, KLF13, EVI1, BCL6 , HNF-4 , ER81 и FOXO4 (AFX) . [20]
Было отмечено, что образование мультисубъединичных комплексов модулирует субстратную специфичность HAT. [12] В целом, в то время как рекомбинантные HAT способны ацетилировать свободные гистоны, HAT могут ацетилировать нуклеосомные гистоны только тогда, когда они находятся в соответствующих комплексах HAT in vivo . [5] Некоторые из белков, которые ассоциируются с HAT в этих комплексах, функционируют, направляя комплекс HAT на нуклеосомы в определенных областях генома . [ 2] [12] Например, было отмечено, что комплексы HAT (например, SAGA, NuA3) часто используют метилированные гистоны в качестве участков стыковки, так что каталитическая субъединица HAT может более эффективно осуществлять ацетилирование гистонов. [2]
Кроме того, формирование многосубъединичных комплексов HAT влияет на специфичность лизина HAT. [12] Конкретные остатки лизина, которые ацетилирует данный HAT, могут стать либо шире, либо более ограниченными по объему при ассоциации с соответствующим комплексом. Например, специфичность лизина семейства HAT MYST по отношению к их гистоновым субстратам становится более ограниченной, когда они ассоциируются со своими комплексами. Напротив, Gcn5 приобретает способность ацетилировать несколько сайтов в обоих гистонах H2B и H3, когда он присоединяется к другим субъединицам для формирования комплексов SAGA и ADA. [4] Более того, специфичность сайта ацетилирования Rtt109 диктуется его ассоциацией либо с Vps75, либо с Asf1. [19] Находясь в комплексе с первым, Rtt109 ацетилирует H3K9 и H3K27, но, находясь в комплексе со вторым, он предпочтительно ацетилирует H3K56. [8]
Каталитическая активность HAT регулируется двумя типами механизмов: (1) взаимодействием с регуляторными белковыми субъединицами и (2) аутоацетилированием. [8] Определенная HAT может регулироваться несколькими способами, и один и тот же эффектор может фактически приводить к разным результатам в разных условиях. [4] Хотя очевидно, что ассоциация HAT с мультибелковыми комплексами обеспечивает механизм для регуляции как активности HAT, так и субстратной специфичности in vivo , молекулярная основа того, как это на самом деле происходит, до сих пор в значительной степени неизвестна. [8] Однако данные свидетельствуют о том, что связанные субъединицы могут способствовать катализу, по крайней мере частично, путем содействия продуктивному связыванию комплекса HAT с его нативными гистоновыми субстратами.
Было показано, что семейство HAT MYST, p300/CBP и Rtt109 регулируются автоацетилированием. [8] Человеческий MOF, а также дрожжевые Esa1 и Sas2 автоацетилируются в консервативном остатке лизина активного центра, и эта модификация необходима для их функционирования in vivo . Человеческий p300 содержит высокоосновную петлю, встроенную в середину его домена HAT, которая гиперацетилируется в активной форме фермента. [8] [9] Было высказано предположение, что при автоацетилировании эта петля высвобождается из электроотрицательного сайта связывания субстрата, где она находится в неактивном HAT. [23] Ацетилирование дрожжевого Rtt109 в Lys290 также необходимо для того, чтобы он проявил полную каталитическую активность. [24] Некоторые HAT также ингибируются ацетилированием. Например, активность HAT ядерного рецепторного коактиватора ACTR ингибируется при ацетилировании p300/CBP. [4]
Ацетилтрансферазы гистонов (HAT) и деацетилазы гистонов (HDAC) привлекаются к своим целевым промоутерам посредством физических взаимодействий с факторами транскрипции, специфичными для последовательности. Обычно они функционируют в составе многосубъединичного комплекса, в котором другие субъединицы необходимы им для модификации остатков гистонов вокруг сайта связывания. Эти ферменты также могут модифицировать негистоновые белки.
Гистонацетилтрансферазы выполняют множество биологических функций внутри клетки. Хроматин представляет собой комбинацию белков и ДНК, обнаруженных в ядре , и он претерпевает множество структурных изменений, поскольку происходят различные клеточные события, такие как репликация ДНК , репарация ДНК и транскрипция . [25] Хроматин в клетке может находиться в двух состояниях: конденсированном и неконденсированном. Последнее, известное как эухроматин , является транскрипционно активным, тогда как первое, известное как гетерохроматин , является транскрипционно неактивным. [25] [26] Гистоны составляют белковую часть хроматина. Существует пять различных гистоновых белков: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Основной гистон образуется, когда два из каждого подтипа гистона, за исключением H1, образуют четвертичный комплекс. Этот октамерный комплекс в ассоциации со 147 парами оснований ДНК, обвитыми вокруг него, образует нуклеосому . [4] Гистон H1 связывает воедино комплекс нуклеосомы и является последним белком, связывающимся с комплексом.
Гистоны, как правило, являются положительно заряженными белками с N-концевыми хвостами, которые исходят из ядра. Фосфодиэфирный остов ДНК отрицателен, что обеспечивает сильные ионные взаимодействия между гистоновыми белками и ДНК. Ацетилтрансферазы гистонов переносят ацетильную группу на определенные остатки лизина на гистонах, что нейтрализует их положительный заряд и, таким образом, снижает сильные взаимодействия между гистоном и ДНК. [25] Также считается, что ацетилирование нарушает взаимодействия между отдельными нуклеосомами и действует как сайты взаимодействия для других ДНК-ассоциированных белков. [4]
Могут быть разные уровни ацетилирования гистонов, а также другие типы модификаций, позволяющие клетке контролировать уровень упаковки хроматина во время различных клеточных событий, таких как репликация, транскрипция, рекомбинация и репарация. Ацетилирование — не единственная регуляторная посттрансляционная модификация гистонов, которая диктует структуру хроматина; также сообщалось о метилировании, фосфорилировании, АДФ-рибозилировании и убиквитинировании. [4] [25] Эти комбинации различных ковалентных модификаций на N-концевых хвостах гистонов были названы гистоновым кодом , и считается, что этот код может быть наследуемым и сохраняться в следующем поколении клеток. [26]
Гистоновые белки H3 и H4 являются основными мишенями HAT, но H2A и H2B также ацетилируются in vivo . Лизины 9, 14, 18 и 23 H3 и лизины 5, 8, 12 и 16 H4 все нацелены на ацетилирование. [4] [25] Лизины 5, 12, 15 и 20 ацетилируются на гистоне H2B, в то время как только лизины 5 и 9 были замечены ацетилированными на гистоне H2A. [4] [25] [26] При таком количестве различных участков для ацетилирования может быть достигнут высокий уровень специфичности при запуске специфических ответов. Примером такой специфичности является ацетилирование гистона H4 на лизинах 5 и 12. Этот паттерн ацетилирования был замечен во время синтеза гистонов. Другим примером является ацетилирование H4K16, которое связано с дозовой компенсацией мужской X-хромосомы у Drosophila melanogaster . [2] [4]
Модификации гистонов модулируют упаковку хроматина. Уровень упаковки ДНК важен для транскрипции генов, поскольку транскрипционный аппарат должен иметь доступ к промотору, чтобы транскрипция произошла. [4] Нейтрализация заряженных остатков лизина с помощью HAT позволяет хроматину деконденсироваться, чтобы этот аппарат имел доступ к гену, который будет транскрибироваться. Однако ацетилирование не всегда связано с повышенной транскрипционной активностью. Например, ацетилирование H4K12 было связано с конденсированным и транскрипционно неактивным хроматином. [27] Кроме того, некоторые модификации гистонов связаны как с повышенной, так и с подавленной активностью в зависимости от контекста. [28]
HAT действуют как транскрипционные коактиваторы или генные сайленсеры и чаще всего встречаются в больших комплексах, состоящих из 10-20 субъединиц, некоторые из которых являются общими для различных комплексов HAT. [25] Эти комплексы включают SAGA (ацетилтрансфераза Spt/Ada/Gcn5L), PCAF, ADA (транскрипционный адаптер), TFIID (транскрипционный фактор II D), TFTC (комплекс, содержащий TAF без TBP) и NuA3/NuA4 (нуклеосомные ацетилтрансферазы H3 и H4). [2] [25] Эти комплексы модулируют специфичность HAT, доставляя HAT к своим целевым генам, где они затем могут ацетилировать нуклеосомные гистоны. [25] Некоторые транскрипционные коактиваторы HAT содержат бромодомен , модуль из 110 аминокислот, который распознает ацетилированные остатки лизина и функционально связан с коактиваторами в регуляции транскрипции. [29]
Способность гистонацетилтрансфераз манипулировать структурой хроматина и закладывать эпигенетический каркас делает их необходимыми для поддержания и выживания клеток. Процесс ремоделирования хроматина включает в себя несколько ферментов, включая HAT, которые помогают в реформировании нуклеосом и требуются для функционирования систем восстановления повреждений ДНК. [30] HAT были вовлечены в качестве вспомогательных средств в прогрессирование заболеваний, особенно при нейродегенеративных расстройствах. Например, болезнь Хантингтона — это заболевание, которое влияет на двигательные навыки и умственные способности. Единственная известная мутация, которая была вовлечена в заболевание, находится в N-концевой области белка хантингтина (htt) . [31] Сообщалось, что htt напрямую взаимодействует с HAT и подавляет каталитическую активность p300/CBP и PCAF in vitro .
Синдром преждевременного старения человека, прогерия Хатчинсона-Гилфорда, вызван мутационным дефектом в обработке ламина А , ядерного матричного белка. В мышиной модели этого состояния задерживается привлечение репарационных белков к участкам повреждения ДНК . Молекулярный механизм, лежащий в основе этой отсроченной репарационной реакции, включает дефект ацетилирования гистонов. [32] В частности, гистон H4 гипоацетилирован по остатку лизина 16 (H4K16), и этот дефект обусловлен сниженной ассоциацией ацетилтрансферазы гистонов, Mof, с ядерным матриксом [32]
Спиноцеребеллярная атаксия типа 1 — нейродегенеративное заболевание, которое возникает в результате дефектного мутантного белка Атаксин-1 . Мутантный Атаксин-1 снижает ацетилирование гистонов, что приводит к подавлению транскрипции, опосредованной ацетилтрансферазой гистонов . [33]
HAT также связаны с контролем функций обучения и памяти. Исследования показали, что мыши без PCAF или CBP демонстрируют признаки нейродегенерации . [31] Мыши с делецией PCAF некомпетентны в отношении обучения, а мыши с делецией CBP, по-видимому, страдают от долговременной потери памяти. [34]
Нарушение равновесия между ацетилированием и деацетилированием также было связано с проявлением некоторых видов рака. Если гистонацетилтрансферазы ингибируются, то поврежденная ДНК может не восстанавливаться, что в конечном итоге приводит к гибели клетки. Контроль процесса ремоделирования хроматина в раковых клетках может предоставить новую лекарственную мишень для исследований рака. [35] Атака этих ферментов в раковых клетках может привести к увеличению апоптоза из-за высокого накопления повреждений ДНК. Один из таких ингибиторов гистонацетилтрансфераз называется гарцинол. Это соединение содержится в кожуре плодов гарцинии индийской , также известной как мангостин . Чтобы изучить влияние гарцинола на гистонацетилтрансферазы, исследователи использовали клетки HeLa . Клетки подвергались облучению, создавая двухцепочечные разрывы в ДНК, и гарцинол вводился в клетки, чтобы увидеть, влияет ли он на реакцию на повреждение ДНК. Если гарцинол успешно подавляет процесс негомологичного присоединения концов , механизм восстановления ДНК, который показывает предпочтение в фиксации двухцепочечных разрывов, [36], то он может служить радиосенсибилизатором , молекулой, которая повышает чувствительность клеток к радиационному повреждению. Повышение радиочувствительности может повысить эффективность радиотерапии. [35]
