Гистонацетилтрансфераза - Histone acetyltransferase

Для использования в других целях см. Шляпа (значения).
Гистонацетилтрансфераза
5trm.jpg
GCN5 гистонацетилтрансферазный домен homo24-mer, человек
Идентификаторы
Номер ЕС2.3.1.48
Количество CAS9054-51-7
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Гистоновые ацетилтрансферазы (Шляпы) находятся ферменты который ацетилат консервированный лизин аминокислоты на гистон белки путем передачи ацетильная группа из ацетил-КоА сформировать ε-N-ацетиллизин. ДНК обернута вокруг гистонов, и, перенося ацетильную группу на гистоны, гены можно включать и выключать. В целом ацетилирование гистонов увеличивает экспрессию генов.

В общем, ацетилирование гистонов связано с транскрипционный активация и связанный с эухроматин. Эухроматин, который менее плотно компактен, позволяет факторам транскрипции легче связываться с регуляторными участками ДНК, вызывая активацию транскрипции. Когда это было впервые обнаружено, считалось, что ацетилирование лизина нейтрализует положительный обвинять обычно присутствует, что снижает сродство между гистоном и (отрицательно заряженной) ДНК, что делает ДНК более доступной для факторы транскрипции. С тех пор появились исследования, показывающие, что ацетилирование лизина и другие посттрансляционные модификации гистонов образуют сайты связывания для специфических доменов межбелкового взаимодействия, таких как связывающий ацетиллизин бромодомен. Ацетилтрансферазы гистонов могут также ацетилировать негистоновые белки, такие как ядерные рецепторы и другие факторы транскрипции, для облегчения экспрессии генов.

Шляпные семьи

HAT традиционно делятся на два разных класса в зависимости от их субклеточной локализации.[1] Шляпы типа А расположены в ядро и участвуют в регуляции экспрессии генов через ацетилирование нуклеосомных гистонов в контексте хроматина.[2] Они содержат бромодомен, что помогает им распознавать и связываться с остатками ацетилированного лизина на гистоновых субстратах. Gcn5, p300 / CBP, и TAFII250 представляют собой некоторые примеры HAT типа A, которые взаимодействуют с активаторами для усиления транскрипции. Шляпы типа B расположены в цитоплазма и отвечают за ацетилирование вновь синтезированных гистонов до их сборки в нуклеосомы. У этих HAT отсутствует бромодомен, поскольку их мишени неацетилированы. Ацетильные группы, добавленные HAT типа B к гистонам, удаляются HDAC как только они входят в ядро ​​и включаются в хроматин. Hat1 является одним из немногих известных примеров HAT типа B.[3] Несмотря на эту историческую классификацию HAT, некоторые белки HAT функционируют в нескольких комплексах или местоположениях и, таким образом, не могут легко вписаться в конкретный класс.[4]

Относительные размеры и расположение важных доменов для репрезентативных HAT (HAT = каталитический домен ацетилтрансферазы; Bromo = бромодомен; Chromo = хромодомен; Zn = домен цинкового пальца). Число аминокислотных остатков в каждой HAT указано справа в каждом примере.

Связанный с Gcn5 N-ацетилтрансферазы (GNAT)

HAT могут быть сгруппированы в несколько различных семейств на основе гомологии последовательностей, а также общих структурных особенностей и функциональных ролей. Связанные с Gcn5 N-ацетилтрансферазы (GNAT) семейство включает Gcn5, PCAF, Hat1, Elp3, Hpa2, Hpa3, ATF-2, и Nut1. Эти HAT обычно характеризуются присутствием бромодомена, и было обнаружено, что они ацетилируют остатки лизина на гистонах. H2B, H3, и H4.[1] Все члены семейства GNAT характеризуются до четырех консервативных мотивов (A-D), обнаруженных в каталитическом домене HAT. Это включает наиболее консервативный мотив A, который содержит последовательность Arg / Gln-X-X-Gly-X-Gly / Ala, которая важна для ацетил-КоА признание и обязательность.[3] Мотив C присутствует в большинстве GNAT, но не присутствует в большинстве других известных HAT.[4] Дрожжевой Gcn5 (общий контроль недерепрессируемый-5) HAT является одним из наиболее охарактеризованных представителей этого семейства. Он имеет четыре функциональных домена, включая N-концевой домен, высококонсервативный каталитический (HAT) домен, домен взаимодействия Ada2 и C-концевой бромодомен. PCAF (связанный с p300 / CBP фактор) и GCN5 - это GNAT млекопитающих, 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 идентифицированным белком HAT. Он отвечает за большую часть цитоплазматической активности HAT у дрожжей и прочно связывается с гистоном H4 благодаря его ассоциации с дополнительной субъединицей Hat2. Elp3 является примером HAT типа A, обнаруженного в дрожжах. Это часть Холофермент РНК-полимеразы II и играет роль в удлинении транскрипции.

MYST шляпы

Семейство шляп MYST названо в честь четырех членов-основателей. МОЗ, Ybf2 (Sas3), Sas2 и Подсказка60.[1] Другие важные участники включают Esa1, Минфин, MORF, и HBO1. Эти HAT обычно характеризуются наличием цинковые пальцы и хромодомены, и обнаружено, что они ацетилируют остатки лизина на гистонах H2A, H3 и H4. Некоторые белки семейства MYST содержат цинковые пальцы, а также высококонсервативный мотив A, обнаруженный среди GNAT, который способствует связыванию ацетил-CoA.[3] Богатая цистеином область, расположенная на N-конце домена HAT белков MYST, участвует в связывании цинка, что важно для активности HAT.[5] Tip60 (Tat-взаимодействующий белок, 60 кДа) был первым членом семейства MYST, проявившим HAT-активность. Sas3, обнаруженный в дрожжах, является гомологом MOZ (белок цинкового пальца моноцитарного лейкоза), который является онкоген найдено в людях. Esa1 был первой важной HAT, обнаруженной у дрожжей, а MOF - его гомолог у плодовых мушек. Активность HAT последней необходима для двукратного увеличения транскрипции мужской Х-хромосомы (компенсация дозировки ) у мух. HBO1 человека (HAT, связанный с ORC1) был первым HAT, который, как было показано, связан с компонентами комплекс происхождения репликации. MORF (фактор, связанный с MOZ) демонстрирует очень близкую гомологию с MOZ по всей своей длине.[4] 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.

Другие

В дополнение к тем, которые являются членами семейств GNAT и MYST, существует несколько других белков, обычно обнаруживаемых у высших эукариот, которые проявляют активность HAT. К ним относятся p300 / CBP, коактиваторы ядерных рецепторов (например, ACTR / SRC-1), TAF.II250, TFIIIC, Rtt109 и ЧАСЫ. p300 / CBP являются многоклеточный -специфический[6] и содержат несколько областей цинкового пальца, бромодомен, каталитический (HAT) домен и области, которые взаимодействуют с другими факторами транскрипции.[3] Важно отметить, что домен HAT не проявляет гомологии последовательности с другими известными HAT,[7] и он необходим для функции p300 / CBP в активации транскрипции.[3] 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 - один из общих факторов транскрипции, участвующих в РНК-полимераза III -опосредованная транскрипция. Было показано, что три компонента человеческого белка обладают независимой активностью HAT (hTFIIIC220, hTFIIIC110, и hTFIIIC90 ).[8] Rtt109 - это грибковый -специфическая HAT, для активности которой требуется ассоциация с белками-шаперонами гистонов.[6] HAT-активность человеческого TAFIIКоактиваторы 250 и CLOCK не изучались так широко. TAFII250 - одна из субъединиц фактора TBP TFIID, и он разделяет паттерн Gly-X-Gly с Gcn5, который важен для активности HAT.[4] ЧАСЫ - это главный регулятор циркадного ритма, который работает с BMAL1 для осуществления своей деятельности HAT.[9]

Коактиваторы ядерных рецепторов

Три важных коактиватора ядерных рецепторов, проявляющих активность HAT: SRC-1, ACTR, и ТИФ-2. SRC-1 человека (коактиватор стероидных рецепторов-1), как известно, 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. .[4] ACTR также взаимодействует с p300 / CBP и PCAF. Первый может предотвратить связывание ACTR и активацию его рецептора путем ацетилирования его в его домене взаимодействия с рецептором. TIF-2 (транскрипционный промежуточный фактор 2; также известный как GRIP1) - еще один коактиватор ядерного рецептора с активностью HAT, и он также взаимодействует с p300 / CBP.

Таблица, суммирующая различные семейства HAT вместе с их ассоциированными членами, родительскими организмами, мультисубъединичными комплексами, гистоновыми субстратами и структурными особенностями, представлена ​​ниже.[1][4][6][8][10][11][12][13][14][15]

СемьяОрганизмАссоциированные комплексыСпецифичность субстратаКонструктивные особенности
GNAT
Gcn5С. cerevisiaeСАГА, СЛИК (САЛЬСА), АДА, ШЛЯПА-А2H2B, H3, (H4)Бромодомен
GCN5D. melanogasterСАГА, ATACH3, H4Бромодомен
GCN5Х. сапиенсSTAGA, TFTCH3, (H4, H2B)Бромодомен
PCAFХ. сапиенсPCAFH3, H4Бромодомен
Hat1С. cerevisiae - H. sapiensHAT-B, NuB4, HAT-A3H4, (H2A)
Elp3С. cerevisiaeУдлинительH3, H4, (H2A, H2B)
Hpa2С. cerevisiaeШЛЯПА-BH3, H4
Hpa3С. cerevisiaeH3, H4
ATF-2С. cerevisiae - H. sapiensH2B, H4
Гайка1С. cerevisiaeПосредникH3, H4
МИСТ
Esa1С. cerevisiaeNuA4, пикколо NuA4H2A, H4, (H2B, H3)Хромодомен
Sas2С. cerevisiaeSAS, NuA4H4, (H2A, H3)
Sas3 (Ybf2)С. cerevisiaeNuA3H3, (H4, H2A)
Подсказка60Х. сапиенсTip60, NuA4H2A, H4, (H3)Хромодомен
МинфинD. melanogasterMSLH4, (H2A, H3)Хромодомен
МОЗХ. сапиенсMSLH3, H4
MORFХ. сапиенсMSLH3, H4
HBO1Х. сапиенсORCH3, H4
p300 / CBP
p300Х. сапиенсH2A, H2B, H3, H4Бромодомен
CBPХ. сапиенсH2A, H2B, H3, H4Бромодомен
SRC (коактиваторы ядерных рецепторов)
SRC-1Х. сапиенсACTR / SRC-1H3, H4
ACTR (RAC3, AIB1, TRAM-1, SRC-3)Х. сапиенсACTR / SRC-1H3, H4
ТИФ-2 (ГРИП1)Х. сапиенсH3, H4
Другой
TAFII250 (TAF1)С. cerevisiae - H. sapiensTFIIDH3, H4, (H2A)Бромодомен
TFIIIC (p220, p110, p90)Х. сапиенсTFIIICH2A, H3, H4
Rtt109С. cerevisiaeГистоновые шапероныH3
ЧАСЫХ. сапиенсH3, H4

Общая структура

Кристаллическая структура Tetrahymena Gcn5 со связанным коферментом A и пептидом гистона H3 (PDB 1QSN). Показаны центральное ядро ​​(зеленый), фланкирующие N- и C-концевые сегменты (синий), кофермент A (оранжевый) и гистоновый пептид (красный).

В общем, HAT характеризуются структурно консервативным коровым участком, состоящим из трехцепочечного β-лист за которым последовал длинный α-спираль параллельно и охватывая одну его сторону.[5][6] Центральная область, которая соответствует мотивам A, B и D белков GNAT,[3] фланкирован с противоположных сторон N- и C-концевыми α / β сегментами, которые структурно уникальны для данного семейства HAT.[5][6] Центральное ядро ​​и фланкирующие сегменты вместе образуют щель над первым, где гистоновые субстраты могут связываться перед катализом.[6] В то время как центральный сердцевинный домен (мотив A в GNAT) участвует в связывании ацетил-CoA и катализе, N- и C-концевые сегменты помогают связывать гистоновые субстраты.[5] Уникальные особенности, связанные с последовательностью и / или структурой N- и C-концевых областей для разных семейств HAT, могут помочь объяснить некоторые наблюдаемые различия между HAT в специфичности гистоновых субстратов. Связывание CoA, как было обнаружено, расширяет бороздку связывания гистонов в центральном ядре, перемещая C-концевой сегмент Gcn5 наружу. Кроме того, поскольку контакты между КоА и белком способствуют образованию благоприятных контактов гистон-белок, вполне вероятно, что связывание КоА предшествует связыванию гистона. in vivo.

Семейства GNAT и MYST

HAT в семействе GNAT наиболее заметно характеризуются доменом HAT из приблизительно 160 остатков и С-концевым бромодоменом, который связывается с ацетилированными остатками лизина.[5] Те из семейства MYST имеют домены HAT длиной около 250 остатков. Многие белки MYST также содержат богатый цистеином цинк-связывающий домен в области HAT в дополнение к N-концевому хромодомену, который связывается с остатки метилированного лизина.

В более широком масштабе структуры каталитических доменов белков GNAT (Gcn5, PCAF) демонстрируют смешанную глобулярную α / β складку с пятью α-спиралями и шестью β-цепями.[3] Общая топология напоминает тиски, с центральным ядром белка в основании и N- и C-концевыми сегментами по бокам.

Семейство p300 / CBP

HAT p300 / CBP имеют более крупные домены HAT (около 500 остатков), чем те, которые присутствуют в семействах GNAT и MYST.[5] Они также содержат бромодомен, а также три богатых цистеином / гистидином домена, которые, как считается, опосредуют взаимодействия с другими белками. Структура p300 / CBP характеризуется удлиненным глобулярным доменом, который содержит семицепочечный β-лист в центре, окруженный девятью α-спиралями и несколькими петлями.[7] Структура центральной области ядра, связанная со связыванием ацетил-CoA, консервативна по отношению к HAT GNAT и MYST, но существует много структурных различий в областях, фланкирующих это центральное ядро. В целом, структурные данные согласуются с тем фактом, что HAT p300 / CBP более неразборчивы, чем HAT GNAT и MYST в отношении связывания с субстратом.

Rtt109

Структура Rtt109 очень похожа на структуру p300, несмотря на то, что идентичность последовательностей между двумя белками составляет только 7%.[7] Существует семицепочечный β-лист, который окружен α-спиралями, а также петля, которая участвует в связывании ацетил-CoA с субстратом. Несмотря на консервативную структуру, Rtt109 и p300 / CBP функционально уникальны. Например, сайт связывания субстрата первого более похож на сайт GNAT и MYST HAT. Кроме того, остатки в активном центре каждого фермента различны, что позволяет предположить, что они используют разные каталитические механизмы для переноса ацетильной группы.

Каталитические механизмы

Основной механизм, катализируемый HAT, включает перенос ацетильной группы от ацетил-КоА к ε-аминогруппе целевой боковой цепи лизина в гистоне.[6] Различные семейства HAT используют уникальные стратегии, чтобы осуществить такое преобразование.

Каталитические механизмы ШП семейства GNAT и MYST. (A) Общий механизм GNAT HAT. (B) Общий механизм MYST HATs.

Семья GNAT

Члены семейства GNAT имеют консервативный остаток глутамата, который действует как общая основа для катализирования нуклеофильной атаки лизинового амина на тиоэфирную связь ацетил-CoA.[6] Эти HAT используют упорядоченный последовательный механизм би-би, в котором оба субстрата (ацетил-КоА и гистон) должны связываться с образованием тройной комплекс с ферментом до катализа. Сначала связывается ацетил-КоА, 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 сначала высвобождается ацетилированный гистон, а затем КоА.[3][6]

Семья MYST

Исследования дрожжей Esa1 из семейства HAT MYST выявили механизм для пинг-понга с участием консервативных остатков глутамата и цистеина.[16] 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 собран в пикколо NuA4 комплекса, он теряет свою зависимость от остатка цистеина для катализа, что предполагает, что реакция может протекать по тройному би-би-механизму, когда фермент является частью физиологически релевантного мультипротеинового комплекса.

Семейство p300 / CBP

В p300 человека Tyr1467 действует как общая кислота, а Trp1436 помогает ориентировать целевой лизиновый остаток гистонового субстрата в активный сайт.[6] Эти два остатка являются высококонсервативными в семействе HAT p300 / CBP и, в отличие от ферментов семейств GNAT и MYST, p300 не использует общую основу для катализа. Скорее всего, члены семейства p300 / CBP используют механизм переноса ацетила по теоретической вероятности (т. Е. «Беги и беги»).

Rtt109

Rtt109 может использовать механизм, отличный от других HAT.[7] Дрожжевой фермент имеет очень низкую каталитическую активность в отсутствие белков-шаперонов гистонов. Asf1 и Vps75, который может участвовать в доставке гистоновых субстратов к ферменту для ацетилирования.[6] Более того, общая кислота или основание еще не идентифицированы для этой HAT.

Связывание субстрата и специфичность

Структуры нескольких доменов HAT, связанных с пептидами ацетил-CoA и гистонового субстрата, показывают, что последние связываются через бороздку на белке, которая образована центральной сердцевиной областью у основания и фланкируется с противоположных сторон вариабельными N- и C -концевые сегменты, которые опосредуют большинство взаимодействий с пептидом-субстратом.[6] Вероятно, что эти вариабельные области, по крайней мере, частично ответственны за наблюдаемую специфичность различных HAT для различных гистоновых субстратов.

Члены семейств GNAT и MYST, а также Rtt109 проявляют большую избирательность к субстрату, чем p300 / CBP, что довольно беспорядочно в отношении связывания субстрата.[6] В то время как кажется, что для эффективного связывания субстрата и катализа членами семейств GNAT и p300 / CBP необходимы только от трех до пяти остатков с каждой стороны лизина, подлежащего ацетилированию, более дистальные области субстрата могут быть важны для эффективного ацетилирования посредством Семейные шляпы MYST.[17]

Селективность лизина

Было показано, что разные HAT, обычно в контексте мультисубъединичных комплексов, ацетилируют специфические остатки лизина в гистонах.

Семья GNAT

Gcn5 не может ацетилировать нуклеосомные гистоны в отсутствие других белковых факторов.[4] 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).[2][3][5][17] И Gcn5, и PCAF имеют наибольшее предпочтение по сайтам для H3K14 либо в виде свободного гистона, либо внутри нуклеосомы.[3][5] Hat1 ацетилирует H4K5 и H4K12, а Hpa2 ацетилирует H3K14. in vitro.[3][4]

Семья MYST

У мух ацетилирование H4K16 на Х-хромосоме самца с помощью MOF в контексте комплекса MSL коррелирует с активацией транскрипции как механизмом дозовой компенсации у этих организмов.[1] У людей комплекс MSL осуществляет большую часть ацетилирования H4K16 в масштабе всего генома. В контексте своих родственных комплексов Sas2 (SAS) и Esa1 (NuA4) также осуществляют ацетилирование H4K16, в частности, в теломер участки хромосом. Sas2 также может ацетилировать H3K14. in vitro на свободных гистонах.[10] Esa1 также может ацетилировать H3K14. in vitro на свободных гистонах, а также на H2AK5, H4K5, H4K8 и H4K12 либо in vitro или же 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 и к Sas3, который, как наблюдается, ацетилирует H3K9 и H3K14. in vivo а также остатки лизина на H2A и H4. MOZ также может ацетилировать H3K14.[17]

Другие

p300 / CBP одинаково хорошо ацетилируют все четыре нуклеосомных коровых гистона.[3] В пробирке, они были замечены для ацетилирования H2AK5, H2BK12, H2BK15, H3K14, H3K18, H4K5 и H4K8.[4] SRC-1 ацетилаты H3K9 и H3K14, TAFII230 (гомолог человеческого TAF у дрозофилыII250) ацетилирует H3K14 и Rtt109 ацетилирует H3K9, H3K23,[17] и H3K56 в присутствии либо Asf1, либо Vps75.[7]

Негистоновые субстраты (in vitro)

В дополнение к коровым гистонам некоторые HAT ацетилируют ряд других клеточных белков, включая активаторы транскрипции, базальные факторы транскрипции, структурные белки, полиамины, и белки, участвующие в ядерном импорте.[3] Ацетилирование этих белков может изменить их способность взаимодействовать с родственными им ДНК и / или белковыми субстратами. Идея о том, что ацетилирование может влиять на функцию белка таким образом, привела к вопросу о роли ацетилтрансфераз в путях передачи сигнала и о том, есть ли уместная аналогия с киназы и в этом отношении могут происходить события фосфорилирования.

PCAF

PCAF и p300 / CBP являются основными HAT, которые, как было обнаружено, ацетилируют ряд негистоновых белков. Для PCAF они включают негистоновый хроматин (группа высокой мобильности (HMG) ) белки HMG-N2 / HMG17 и HMG-I (Y), активаторы транскрипции p53, MyoD, E2F (1-3), и ВИЧ Tat, и общие факторы транскрипции TFIIE и ТФИИФ.[4] Другие белки включают CIITA, Brm (ремоделирующий хроматин), NF-κB (стр.65), TAL1 / SCL, Beta2 / NeuroD, C / EBPβ, IRF2, IRF7, YY1, KLF13, EVI1, AME, ER81, а рецептор андрогенов (AR).[18] PCAF также может ацетилировать c-MYC, ГАТА-2, ретинобластома (Rb), Ku70, и E1A аденовирусный белок.[19] Он также может аутоацетилировать, что облегчает внутримолекулярные взаимодействия с его бромодоменом, который может участвовать в регуляции его активности HAT.[3]

p300 / CBP

p300 / CBP имеют много негистоновых субстратов, включая белки негистонового хроматина. HMG1, HMG-N1 / HMG14, и HMG-I (Y), активаторы транскрипции p53, c-Myb, ГАТА-1, EKLF, TCF и ВИЧ Tat, коактиваторы ядерного рецептора ACTR, SRC-1 и TIF-2, а также общие факторы транскрипции TFIIE и TFIIF.[4] Другие субстраты включают факторы транскрипции Sp1, KLF5, FOXO1, MEF2C, SRY, ГАТА-4, и HNF-6,[10] HMG-B2,[19] STAT3, андрогены и эстроген (α) рецепторы, GATA-2, ГАТА-3, MyoD, E2F (1-3), стр. 73 α, ретинобластома (Rb), NF-κB (p50, p65), Smad7, импортин-α, Ku70, YAP1,[20] Белок аденовируса E1A и S-HDAg (вирус гепатита дельта малый дельта-антиген).[19] p300 / CBP также может ацетилировать β-катенин, RIP140, PCNA, метаболические ферменты ДНК эндонуклеаза лоскута-1, тиминовая ДНК гликозилаза, и ДНК-геликаза синдрома Вернера, STAT6, Runx1 (AML1), UBF, Beta2 / NeuroD, CREB, с-июн, C / EBPβ, NF-E2, SREBP, IRF2, Sp3, YY1, KLF13, EVI1, BCL6, HNF-4, ER81 и FOXO4 (AFX).[18]

Многосубъединичные комплексы HAT

Обнаружено, что образование мультисубъединичных комплексов модулирует субстратную специфичность HAT.[10] В целом, в то время как рекомбинантные HAT способны ацетилировать свободные гистоны, HAT могут ацетилировать нуклеосомные гистоны только тогда, когда они находятся в своих соответствующих in vivo ШАПНЫЕ комплексы.[4] Некоторые из белков, которые связаны с HAT в этих комплексах, функционируют, направляя комплекс HAT к нуклеосомам в определенных областях в геном.[1][10] Например, было замечено, что комплексы HAT (например, SAGA, NuA3) часто используют метилированные гистоны в качестве стыковочных сайтов, чтобы каталитическая субъединица HAT могла более эффективно осуществлять ацетилирование гистонов.[1]

Кроме того, образование мультисубъединичных комплексов HAT влияет на специфичность HAT к лизину.[10] Конкретные остатки лизина, которые данный ацетилат HAT могут становиться либо более широкими, либо более ограниченными по объему при ассоциации с его соответствующим комплексом. Например, лизиновая специфичность HAT семейства MYST по отношению к их гистоновым субстратам становится более ограниченной, когда они связываются со своими комплексами. Напротив, Gcn5 приобретает способность ацетилировать множество сайтов в гистонах H2B и H3, когда он присоединяется к другим субъединицам с образованием комплексов SAGA и ADA.[3] Более того, специфичность сайта ацетилирования Rtt109 диктуется его ассоциацией либо с Vps75, либо с Asf1.[17] В комплексе с первым Rtt109 ацетилирует H3K9 и H3K27, но в комплексе с последним он предпочтительно ацетилирует H3K56.[6]

Регулирование активности HAT

Каталитическая активность HAT регулируется двумя типами механизмов: (1) взаимодействием с регуляторными субъединицами белка и (2) аутоацетилированием.[6] Данная HAT может регулироваться множеством способов, и один и тот же эффектор может фактически приводить к разным результатам в разных условиях.[3] Хотя очевидно, что ассоциация HAT с мультибелковыми комплексами обеспечивает механизм регуляции как активности HAT, так и специфичности субстрата. in vivo, молекулярная основа того, как это происходит на самом деле, все еще в значительной степени неизвестна.[6] Однако данные свидетельствуют о том, что ассоциированные субъединицы могут вносить вклад в катализ, по крайней мере, частично, облегчая продуктивное связывание комплекса HAT с его природными гистоновыми субстратами.

Было показано, что семейство MYST HAT, p300 / CBP и Rtt109 регулируется аутоацетилированием.[6] MOF человека, а также дрожжевые Esa1 и Sas2 аутоацетилируются по консервативному остатку лизина в активном центре, и эта модификация необходима для их функции. in vivo. Человеческий p300 содержит высокоосновную петлю, встроенную в середину его домена HAT, который гиперацетилирован в активной форме фермента.[6][7] Было высказано предположение, что при аутоацетилировании эта петля высвобождается из участка связывания электроотрицательного субстрата, где она находится в неактивной HAT.[21] Ацетилирование дрожжевого Rtt109 по Lys290 также необходимо для его полной каталитической активности.[22] Некоторые HAT также ингибируются ацетилированием. Например, HAT-активность коактиватора ядерного рецептора ACTR ингибируется при ацетилировании с помощью p300 / CBP.[3]

Взаимодействие с HDAC

Гистоновые ацетилтрансферазы (HAT) и гистоновые деацетилазы (HDAC) рекрутируются на свои промоторы-мишени посредством физических взаимодействий с факторами транскрипции, специфичными для последовательности. Они обычно 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.

Биологическая роль

Ремоделирование хроматина

Хвосты гистонов и их функция в образовании хроматина

Гистоновые ацетилтрансферазы выполняют множество биологических функций внутри клетки. Хроматин представляет собой комбинацию белков и ДНК найдено в ядро, и он претерпевает множество структурных изменений в виде различных клеточных событий, таких как Репликация ДНК, Ремонт ДНК, и транскрипция происходить.[23] Хроматин в клетке может находиться в двух состояниях: конденсированном и неконденсированном. Последний, известный как эухроматин, транскрипционно активен, тогда как первый, известный как гетерохроматин, транскрипционно неактивен.[23][24] Гистоны составляют белковую часть хроматина. Есть пять разных гистон белки: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Ядровый гистон образуется, когда два гистона каждого подтипа, за исключением H1, образуют четвертичный комплекс.Этот октамерный комплекс в ассоциации со 147 парами оснований ДНК, намотанными вокруг него, образует нуклеосома.[3] Гистон H1 скрепляет нуклеосомный комплекс вместе, и это последний белок, связывающийся в комплексе.

Гистоны, как правило, представляют собой положительно заряженные белки с N-концевыми хвостами, которые отходят от ядра. Фосфодиэфирный остов ДНК отрицательный, что делает возможным сильное ионное взаимодействие между гистоновыми белками и ДНК. Гистоновые ацетилтрансферазы переносят ацетил группа к конкретным лизин остатков на гистонах, что нейтрализует их положительный заряд и, таким образом, уменьшает сильные взаимодействия между гистоном и ДНК.[23] Также считается, что ацетилирование нарушает взаимодействия между отдельными нуклеосомами и действует как сайты взаимодействия для других белков, связанных с ДНК.[3]

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 единственное нормативное посттрансляционная модификация гистонам, определяющим структуру хроматина; Также сообщалось о метилировании, фосфорилировании, ADP-рибозилировании и убиквитинировании.[3][23] Эти комбинации различных ковалентных модификаций на N-концевых хвостах гистонов были названы гистоновый код, и считается, что этот код может быть передан по наследству и сохранен в следующем поколении ячеек.[24]

Гистоновые белки H3 и H4 являются первичными мишенями для HAT, но H2A и H2B также ацетилируются. in vivo. Все лизины 9, 14, 18 и 23 H3 и лизины 5, 8, 12 и 16 H4 нацелены на ацетилирование.[3][23] Лизины 5, 12, 15 и 20 ацетилируются на гистоне H2B, тогда как только лизины 5 и 9 ацетилируются на гистоне H2A.[3][23][24] При таком большом количестве различных сайтов ацетилирования может быть достигнут высокий уровень специфичности в запуске определенных ответов. Примером этой специфичности является ацетилирование гистона H4 по лизинам 5 и 12. Такой паттерн ацетилирования наблюдается во время синтеза гистонов. Другой пример - ацетилирование H4K16, которое было связано с дозовой компенсацией мужской X-хромосомы в Drosophila melanogaster.[1][3]

Экспрессия гена

Схема, показывающая роль HAT в транскрипции генов.

Модификации гистонов модулируют упаковку хроматина. Уровень упаковки ДНК важен для транскрипции гена, так как транскрипционный аппарат должен иметь доступ к промотору, чтобы транскрипция происходила.[3] Нейтрализация заряженных остатков лизина с помощью HAT позволяет хроматину деконденсироваться, так что этот механизм имеет доступ к гену для транскрипции. Однако ацетилирование не всегда связано с повышенной транскрипционной активностью. Например, ацетилирование H4K12 было связано с конденсированным и транскрипционно неактивным хроматином.[25] Кроме того, некоторые модификации гистонов связаны как с усиленной, так и с подавленной активностью контекстно-зависимым образом.[26]

HAT действуют как коактиваторы транскрипции или сайленсеры генов и чаще всего обнаруживаются в больших комплексах, состоящих из 10-20 субъединиц, некоторые из которых являются общими для разных комплексов HAT.[23] Эти комплексы включают SAGA (Spt / Ada / Gcn5L ацетилтрансфераза), PCAF, ADA (транскрипционный адаптер), TFIID (фактор транскрипции II D), TFTC (комплекс, содержащий TAF без TBP) и NuA3 / NuA4 (нуклеосомные ацетилтрансферазы H3 и H4).[1][23] Эти комплексы модулируют специфичность HAT, приводя HAT к своим генам-мишеням, где они затем могут ацетилировать нуклеосомные гистоны.[23] Некоторые коактиваторы транскрипции HAT содержат бромодомен, модуль из 110 аминокислот, который распознает остатки ацетилированного лизина и функционально связан с коактиваторами в регуляции транскрипции.[27]

Клиническое значение

Способность гистоновых ацетилтрансфераз манипулировать структурой хроматина и закладывать эпигенетический каркас делает их важными для поддержания и выживания клеток. Процесс ремоделирования хроматина включает несколько ферментов, включая HAT, которые помогают в реформировании нуклеосом и необходимы для функционирования систем восстановления повреждений ДНК.[28] HAT участвуют в качестве вспомогательных средств для прогрессирования заболевания, особенно при нейродегенеративных расстройствах. Например, болезнь Хантингтона заболевание, влияющее на моторику и умственные способности. Единственная известная мутация, которая связана с заболеванием, находится в N-концевой области белка. Хантингтин (htt).[29] Сообщалось, что htt напрямую взаимодействует с HAT и подавляет каталитическую активность p300 / CBP и PCAF. in vitro.

Синдром преждевременного старения человека Хатчинсон Гилфорд прогерия вызвано мутационным дефектом в обработке ламин А, а ядерная матрица белок. В модели этого состояния на мышах набор ремонт белки к сайтам Повреждение ДНК задерживается. Молекулярный механизм, лежащий в основе этой отсроченной репарационной реакции, включает дефект ацетилирования гистонов.[30] Конкретно, гистон H4 гипоацетилирован по остатку лизина 16 (H4K16), и этот дефект обусловлен сниженной ассоциацией гистонацетилтрансферазы, Mof, с ядерным матриксом[30]

Спиноцеребеллярная атаксия 1 типа это нейродегенеративное заболевание, которое возникает в результате дефектного мутанта Атаксин-1 белок. Мутант Атаксин-1 снижает ацетилирование гистонов, что приводит к подавлению опосредованной гистонацетилтрансферазой транскрипция.[31]

HAT также были связаны с контролем функций обучения и памяти. Исследования показали, что мыши без PCAF или CBP демонстрируют признаки нейродегенерация.[29] Мыши с делецией PCAF некомпетентны в отношении обучения, а мыши с делецией CBP страдают от потери долговременной памяти.[32]

Неправильное регулирование равновесия между ацетилированием и деацетилированием также было связано с проявлением некоторых видов рака. Если гистоновые ацетилтрансферазы подавлены, поврежденная ДНК не может быть восстановлена, что в конечном итоге приводит к гибели клеток. Контроль над ремоделирование хроматина процесс внутри раковых клеток может предоставить новую лекарственную мишень для исследования рака.[33] Атака на эти ферменты в раковых клетках может привести к увеличению апоптоз из-за большого накопления повреждений ДНК. Один из таких ингибиторов гистоновых ацетилтрансфераз называется гарцинол. Это соединение содержится в кожуре гарциния индика фрукты, иначе известные как мангустин. Чтобы изучить влияние гарцинола на гистоновые ацетилтрансферазы, исследователи использовали HeLa клетки. Клетки подверглись облучению, создавая двухцепочечные разрывы в ДНК, и в клетки вводили гарцинол, чтобы увидеть, влияет ли он на реакцию на повреждение ДНК. Если гарцинол успешно подавляет процесс негомологичное соединение концов, механизм репарации ДНК, который показывает предпочтение в фиксации двухцепочечных разрывов,[34] тогда это может служить радиосенсибилизатор, молекула, повышающая чувствительность клеток к радиационным повреждениям. Повышение радиочувствительности может повысить эффективность лучевой терапии.[33]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я Ли К.К., Уоркман Д.Л. (апрель 2007 г.). «Комплексы гистонацетилтрансферазы: один размер не подходит для всех». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 8 (4): 284–95. Дои:10.1038 / nrm2145. PMID  17380162.
  2. ^ а б Уивер Р. (2007). Молекулярная биология. Макгроу-Хилл. ISBN  978-0073319940.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс Roth SY, Denu JM, Allis CD (2001). «Гистоновые ацетилтрансферазы». Ежегодный обзор биохимии. 70: 81–120. Дои:10.1146 / annurev.biochem.70.1.81. PMID  11395403.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Штернер Д.Е., Бергер С.Л. (июнь 2000 г.). «Ацетилирование гистонов и факторов, связанных с транскрипцией». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 64 (2): 435–59. Дои:10.1128 / MMBR.64.2.435-459.2000. ЧВК  98999. PMID  10839822.
  5. ^ а б c d е ж грамм час Марморштейн Р. (август 2001 г.). «Строение гистоновых ацетилтрансфераз». Журнал молекулярной биологии. 311 (3): 433–44. Дои:10.1006 / jmbi.2001.4859. PMID  11492997.
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р Юань Х., Марморштейн Р. (февраль 2013 г.). «Гистоновые ацетилтрансферазы: восходящие аналоги протеинкиназ в древности». Биополимеры. 99 (2): 98–111. Дои:10.1002 / bip.22128. ЧВК  4017165. PMID  23175385.
  7. ^ а б c d е ж Marmorstein R, Trievel RC (январь 2009 г.). «Ферменты, модифицирующие гистоны: структуры, механизмы и особенности». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - механизмы регуляции генов. 1789 (1): 58–68. Дои:10.1016 / j.bbagrm.2008.07.009. ЧВК  4059211. PMID  18722564.
  8. ^ а б Огрызко В.В. (май 2001 г.). «Гистоновые ацетилтрансферазы млекопитающих и их комплексы». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 58 (5–6): 683–92. Дои:10.1007 / PL00000892. PMID  11437230. S2CID  20905209.
  9. ^ Дой М., Хираяма Дж., Сассоне-Корси П. (май 2006 г.). «Циркадный регулятор CLOCK - гистонацетилтрансфераза». Клетка. 125 (3): 497–508. Дои:10.1016 / j.cell.2006.03.033. PMID  16678094. S2CID  5968161.
  10. ^ а б c d е ж Кимура А., Мацубара К., Хорикоши М. (декабрь 2005 г.). «Десятилетие ацетилирования гистонов: маркировка эукариотических хромосом определенными кодами». Журнал биохимии. 138 (6): 647–62. Дои:10.1093 / jb / mvi184. PMID  16428293.
  11. ^ Марморштейн Р., Рот С.Ю. (апрель 2001 г.). «Гистоновые ацетилтрансферазы: функция, структура и катализ». Текущее мнение в области генетики и развития. 11 (2): 155–61. Дои:10.1016 / S0959-437X (00) 00173-8. PMID  11250138.
  12. ^ Анамика К., Кребс А.Р., Томпсон Дж., Поч О, Девис Д., Тора Л. (октябрь 2010 г.). «Уроки полногеномных исследований: комплексное определение коактиваторной функции гистонацетилтрансфераз». Эпигенетика и хроматин. 3 (1): 18. Дои:10.1186/1756-8935-3-18. ЧВК  2972259. PMID  20961410.
  13. ^ Карроцца М.Дж., Атли Р.Т., Уоркман Дж.Л., Коте Дж. (Июнь 2003 г.). «Разнообразные функции комплексов гистонацетилтрансферазы». Тенденции в генетике. 19 (6): 321–9. Дои:10.1016 / S0168-9525 (03) 00115-X. PMID  12801725.
  14. ^ Торок М.С., Грант П.А. (2004). «Белки гистонацетилтрансферазы вносят свой вклад в процессы транскрипции на многих уровнях». Белки в эукариотической транскрипции. Успехи в химии белков. 67. С. 181–99. Дои:10.1016 / S0065-3233 (04) 67007-0. ISBN  9780120342679. PMID  14969728.
  15. ^ Vernarecci S, Tosi F, Filetici P (февраль 2010 г.). «Настройка ацетилированного хроматина с помощью ингибиторов HAT: новый инструмент для терапии». Эпигенетика. 5 (2): 105–11. Дои:10.4161 / epi.5.2.10942. PMID  20160510.
  16. ^ Берндсен CE, Albaugh BN, Tan S, Denu JM (январь 2007 г.). «Каталитический механизм гистонацетилтрансферазы семейства MYST». Биохимия. 46 (3): 623–9. Дои:10.1021 / bi602513x. ЧВК  2752042. PMID  17223684.
  17. ^ а б c d е Берндсен CE, Denu JM (декабрь 2008 г.). «Катализ и выбор субстрата гистоновыми / белковолизин ацетилтрансферазами». Текущее мнение в структурной биологии. 18 (6): 682–9. Дои:10.1016 / j.sbi.2008.11.004. ЧВК  2723715. PMID  19056256.
  18. ^ а б Ян XJ (октябрь 2004 г.). «Ацетилирование лизина и бромодомен: новое партнерство для передачи сигналов». BioEssays. 26 (10): 1076–87. Дои:10.1002 / bies.20104. PMID  15382140.
  19. ^ а б c Глозак М.А., Сенгупта Н., Чжан Х, Сето Э. (декабрь 2005 г.). «Ацетилирование и деацетилирование негистоновых белков». Ген. 363: 15–23. Дои:10.1016 / j.gene.2005.09.010. PMID  16289629.
  20. ^ Hata S, Hirayama J, Kajiho H, Nakagawa K, Hata Y, Katada T, Furutani-Seiki M, Nishina H (июнь 2012 г.). «Новый цикл ацетилирования коактиватора транскрипции Yes-ассоциированного белка, который находится ниже пути Hippo, запускается в ответ на SN2-алкилирующие агенты». Журнал биологической химии. 287 (26): 22089–98. Дои:10.1074 / jbc.M111.334714. ЧВК  3381167. PMID  22544757.
  21. ^ Лю X, Ван Л., Чжао К., Томпсон П.Р., Хван И., Марморштейн Р., Коул П.А. (февраль 2008 г.). «Структурные основы ацетилирования белков транскрипционным коактиватором p300 / CBP». Природа. 451 (7180): 846–50. Bibcode:2008Натура.451..846Л. Дои:10.1038 / природа06546. PMID  18273021.
  22. ^ Альбау Б.Н., Арнольд К.М., Ли С., Дену Дж. М. (июль 2011 г.). «Аутоацетилирование гистонацетилтрансферазы Rtt109». Журнал биологической химии. 286 (28): 24694–701. Дои:10.1074 / jbc.M111.251579. ЧВК  3137045. PMID  21606491.
  23. ^ а б c d е ж грамм час я Воет Д., Воет Дж. Г. (2004). Биохимия (3-е изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN  978-0-471-19350-0.
  24. ^ а б c Тропп БЭ (2008). Молекулярная биология: от генов к белкам (3-е изд.). Садбери, Массачусетс: издательство «Джонс и Бартлетт». ISBN  9780763709167.
  25. ^ Грюнштейн М (сентябрь 1997 г.). «Ацетилирование гистонов в структуре и транскрипции хроматина». Природа. 389 (6649): 349–52. Bibcode:1997Натура.389..349G. Дои:10.1038/38664. PMID  9311776.
  26. ^ Войчек Ю., Бар-Зив Р., Баркай Н. (март 2016 г.). «Гомеостаз экспрессии при репликации ДНК». Наука. 351 (6277): 1087–90. Bibcode:2016Научный ... 351.1087V. Дои:10.1126 / science.aad1162. PMID  26941319.
  27. ^ Дхаллуин С., Карлсон Дж. Э., Цзэн Л., Хе С., Аггарвал А. К., Чжоу М. М. (июнь 1999 г.). «Структура и лиганд бромодомена гистонацетилтрансферазы». Природа. 399 (6735): 491–6. Bibcode:1999Натура.399..491Д. Дои:10.1038/20974. PMID  10365964.
  28. ^ Россетто Д., Труман А. В., Крон С. Дж., Коте Дж. (Сентябрь 2010 г.). «Эпигенетические модификации в передаче сигналов и репарации повреждений ДНК с двухцепочечным разрывом». Клинические исследования рака. 16 (18): 4543–52. Дои:10.1158 / 1078-0432.CCR-10-0513. ЧВК  2940951. PMID  20823147.
  29. ^ а б Кляйн Г., Ванде Вуде Г.Ф. (2002). Достижения в исследованиях рака, том 86. Бостон: Academic Press. ISBN  978-0-12-006686-5.
  30. ^ а б Кришнан В., Чоу М.З., Ван З., Чжан Л., Лю Б., Лю Х, Чжоу З. (июль 2011 г.). «Гипоацетилирование гистона H4 по лизину 16 связано с дефектной репарацией ДНК и преждевременным старением у мышей с дефицитом Zmpste24». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 108 (30): 12325–30. Bibcode:2011ПНАС..10812325К. Дои:10.1073 / pnas.1102789108. ЧВК  3145730. PMID  21746928.
  31. ^ Цветанович М., Кулар Р.К., Опал П. (декабрь 2012 г.). "LANP опосредует невритную патологию при спиноцеребеллярной атаксии 1 типа". Neurobiol. Dis. 48 (3): 526–32. Дои:10.1016 / j.nbd.2012.07.024. ЧВК  3987943. PMID  22884877.
  32. ^ Фурдас С.Д., Каннан С., Сиппл В., Юнг М. (январь 2012 г.). «Низкомолекулярные ингибиторы гистоновых ацетилтрансфераз как эпигенетические инструменты и кандидаты в лекарства». Archiv der Pharmazie. 345 (1): 7–21. Дои:10.1002 / ardp.201100209. PMID  22234972.
  33. ^ а б Оике Т., Огивара Х, Торикай К., Накано Т., Йокота Дж., Коно Т. (ноябрь 2012 г.). «Гарцинол, ингибитор гистонацетилтрансферазы, радиосенсибилизирует раковые клетки, подавляя негомологичное соединение концов». Международный журнал радиационной онкологии, биологии, физики. 84 (3): 815–21. Дои:10.1016 / j.ijrobp.2012.01.017. PMID  22417805.
  34. ^ Бирма С., Чен Б. П., Чен Д. Д. (сентябрь 2006 г.). «Роль негомологичного соединения концов (NHEJ) в поддержании целостности генома». Ремонт ДНК. 5 (9–10): 1042–8. Дои:10.1016 / j.dnarep.2006.05.026. PMID  16822724.

внешняя ссылка