Histon-Acetyltransferase - Histone acetyltransferase

Histon-Acetyltransferase
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GCN5-Histon-Acetyltransferase-Domäne homo24-mer, Human
Bezeichner
EG-Nr. 2.3.1.48
CAS-Nr. 9054-51-7
Datenbanken
IntEnz IntEnz-Ansicht
BRENDA BRENDA-Eintrag
ExPASy NiceZyme-Ansicht
KEGG KEGG-Eintrag
MetaCyc Stoffwechselweg
PRIAM Profil
PDB- Strukturen RCSB PDB PDBe PDBsum
Gen-Ontologie AmiGO / QuickGO

Histon - Acetyltransferasen ( HATs ) sind Enzyme , dass Acetylat konservierten Lysin Aminosäuren auf Histon - Proteine , die durch eine Übertragung von Acetylgruppe von Acetyl-CoA ε- zu bilden N -acetyllysine. Die DNA ist um Histone gewickelt, und durch die Übertragung einer Acetylgruppe auf die Histone können Gene an- und ausgeschaltet werden. Im Allgemeinen erhöht die Histonacetylierung die Genexpression.

Im Allgemeinen ist die Histonacetylierung mit der Transkriptionsaktivierung verbunden und mit Euchromatin assoziiert . Euchromatin, das weniger dicht ist, ermöglicht es Transkriptionsfaktoren, leichter an regulatorische Stellen auf der DNA zu binden, was eine Transkriptionsaktivierung bewirkt. Als es zum ersten Mal entdeckt wurde, dachte man, dass die Acetylierung von Lysin die normalerweise vorhandene positive Ladung neutralisiert und so die Affinität zwischen Histon und (negativ geladener) DNA verringert, was die DNA für Transkriptionsfaktoren zugänglicher macht . Seitdem sind Forschungen entstanden, die zeigen, dass Lysinacetylierung und andere posttranslationale Modifikationen von Histonen Bindungsstellen für spezifische Protein-Protein-Interaktionsdomänen wie die Acetyllysin-bindende Bromodomäne erzeugen . Histon-Acetyltransferasen können auch Nicht-Histon-Proteine ​​wie nukleäre Rezeptoren und andere Transkriptionsfaktoren acetylieren, um die Genexpression zu erleichtern.

HAT-Familien

HATs werden traditionell aufgrund ihrer subzellulären Lokalisation in zwei verschiedene Klassen eingeteilt. HATs vom Typ A befinden sich im Zellkern und sind an der Regulation der Genexpression durch Acetylierung nukleosomaler Histone im Kontext von Chromatin beteiligt. Sie enthalten eine Bromodomäne , die ihnen hilft, acetylierte Lysinreste auf Histonsubstraten zu erkennen und daran zu binden. Gcn5, p300/CBP und TAF II 250 sind einige Beispiele für Typ-A-HATs, die mit Aktivatoren kooperieren, um die Transkription zu verstärken. HATs vom Typ B befinden sich im Zytoplasma und sind für die Acetylierung neu synthetisierter Histone vor ihrem Zusammenbau zu Nukleosomen verantwortlich . Diesen HATs fehlt eine Bromodomäne, da ihre Ziele nicht acetyliert sind. Die durch Typ B HATs an die Histone angefügten Acetylgruppen werden von HDACs entfernt, sobald sie in den Zellkern gelangen und in das Chromatin eingebaut werden . Hat1 ist eines der wenigen bekannten Beispiele für einen HAT vom Typ B. Trotz dieser historischen Klassifizierung von HATs funktionieren einige HAT-Proteine ​​in mehreren Komplexen oder Orten und würden daher nicht leicht in eine bestimmte Klasse passen.

Relative Größe und Lage wichtiger Domänen für repräsentative HATs (HAT = katalytische Acetyltransferase-Domäne; Bromo = Bromodomäne; Chromo = Chromodomäne; Zn = Zinkfingerdomäne). Die Anzahl der Aminosäurereste in jedem HAT ist in jedem Beispiel rechts angegeben.

Gcn5-verwandte N- Acetyltransferasen (GNATs)

HATs können basierend auf Sequenzhomologie sowie gemeinsamen strukturellen Merkmalen und funktionellen Rollen in mehrere verschiedene Familien eingeteilt werden. Die Gcn5-verwandte N- Acetyltransferase (GNAT)-Familie umfasst Gcn5, PCAF , Hat1, Elp3 , Hpa2, Hpa3 , ATF-2 und Nut1. Diese HATs sind im Allgemeinen durch die Anwesenheit einer Bromodomäne gekennzeichnet, und es wurde gefunden, dass sie Lysinreste an den Histonen H2B , H3 und H4 acetylieren . Alle Mitglieder der GNAT-Familie sind durch bis zu vier konservierte Motive (AD) gekennzeichnet, die sich innerhalb der katalytischen HAT-Domäne befinden. Dazu gehört das am höchsten konservierte Motiv A, das eine Arg/Gln-XX-Gly-X-Gly/Ala-Sequenz enthält, die für die Acetyl-CoA- Erkennung und -Bindung wichtig ist. Das C-Motiv wird in den meisten GNATs gefunden, aber es ist in den meisten anderen bekannten HATs nicht vorhanden. Die Hefe Gcn5 (general control nonderepressible-5) HAT ist eines der am besten charakterisierten Mitglieder dieser Familie. Es hat vier funktionelle Domänen, darunter eine N-terminale Domäne, eine hochkonservierte katalytische (HAT) Domäne, eine Ada2-Interaktionsdomäne und eine C-terminale Bromodomäne. PCAF (p300/CBP-assoziierter Faktor) und GCN5 sind Säugetier-GNATs, die in ihren Sequenzen einen hohen Homologiegrad aufweisen. Diese Proteine ​​haben eine N-terminale Region mit 400 Resten, die in Hefe-Gcn5 fehlt, aber ihre HAT-Funktionen sind bezüglich letzterer evolutionär konserviert. Hat1 war das erste identifizierte HAT-Protein. Es ist für den Großteil der zytoplasmatischen HAT-Aktivität in Hefe verantwortlich und bindet aufgrund seiner Assoziation mit einer zusätzlichen Untereinheit, Hat2, stark an Histon H4. Elp3 ist ein Beispiel für einen HAT vom Typ A, der in Hefe gefunden wird. Es ist Teil des RNA-Polymerase-II-Holoenzyms und spielt eine Rolle bei der Transkriptionsverlängerung.

MYST HÜTE

Die MYST-Familie von HATs ist nach ihren vier Gründungsmitgliedern MOZ , Ybf2 (Sas3), Sas2 und Tip60 benannt . Andere wichtige Mitglieder sind Esa1 , MOF , MORF und HBO1 . Diese HATs sind typischerweise durch das Vorhandensein von Zinkfingern und Chromodomänen gekennzeichnet , und es wurde gefunden, dass sie Lysinreste auf den Histonen H2A , H3 und H4 acetylieren . Mehrere Proteine ​​der MYST-Familie enthalten Zinkfinger sowie das hochkonservierte Motiv A, das unter GNATs zu finden ist und die Acetyl-CoA-Bindung erleichtert. Eine Cystein-reiche Region im N-Terminus der HAT-Domäne von MYST-Proteinen ist an der Zinkbindung beteiligt, die für die HAT-Aktivität essentiell ist. Tip60 (Tat-interaktives Protein, 60 kDa) war das erste menschliche Mitglied der MYST-Familie, das HAT-Aktivität aufwies. Sas3, das in Hefe gefunden wird, ist ein Homolog von MOZ (Monocytic Leukemia Zink Finger Protein), einem Onkogen, das beim Menschen vorkommt. Esa1 war der erste essentielle HAT, der in Hefe gefunden wurde, und MOF ist sein Homolog in Fruchtfliegen. Deren HAT-Aktivität ist für die zweifach erhöhte Transkription des männlichen X-Chromosoms ( Dosiskompensation ) bei Fliegen erforderlich . Humanes HBO1 (HAT an ORC1 gebunden) war das erste HAT, von dem gezeigt wurde, dass es mit Komponenten des Replikationsursprungskomplexes assoziiert . MORF (MOZ-related factor) weist über seine gesamte Länge eine sehr enge Homologie zu MOZ auf. Es enthält eine N-terminale Repressionsregion, die seine HAT-Aktivität in vitro verringert, sowie eine C-terminale Aktivierungsdomäne, die in Abwesenheit der HAT-Domäne funktionsfähig ist.

Andere

Zusätzlich zu denen, die Mitglieder der GNAT- und MYST-Familien sind, gibt es mehrere andere Proteine, die typischerweise in höheren Eukaryoten gefunden werden und HAT-Aktivität aufweisen. Diese umfassen p300/CBP, Kernrezeptor-Koaktivatoren (zB ACTR/SRC-1), TAF II 250, TFIIIC, Rtt109 und CLOCK . p300/CBP sind Metazoen- spezifisch und enthalten mehrere Zinkfingerregionen, eine Bromodomäne, eine katalytische (HAT) Domäne und Regionen, die mit anderen Transkriptionsfaktoren interagieren. Wichtig ist, dass die HAT-Domäne keine Sequenzhomologie zu anderen bekannten HATs zeigt und für p300/CBP erforderlich ist, um bei der Transkriptionsaktivierung zu wirken. Darüber hinaus enthalten diese Proteine ​​mehrere HAT-Domänenmotive (A, B und D), die denen der GNATs ähnlich sind. Sie besitzen auch ein neues Motiv E, das zu Sequenzen in den HAT-Domänen von GNATs homolog ist. TFIIIC ist einer der allgemeinen Transkriptionsfaktoren, die an der RNA-Polymerase III- vermittelten Transkription beteiligt sind. Es wurde gezeigt, dass drei Komponenten im menschlichen Protein unabhängige HAT-Aktivität besitzen ( hTFIIIC220 , hTFIIIC110 und hTFIIIC90 ). Rtt109 ist ein Pilz- -spezifische Hut, die Assoziation mit Histon - Chaperon - Proteinen für die Aktivität erfordert. Die HAT-Aktivitäten der humanen TAF II 250- und CLOCK-Koaktivatoren wurden nicht so umfassend untersucht. TAF II 250 ist eine der TBP-assoziierten Faktor-Untereinheiten von TFIID und teilt mit Gcn5 ein Gly-X-Gly-Muster, das für die HAT-Aktivität wichtig ist. CLOCK ist ein Master-Regulator für den zirkadianen Rhythmus, der mit BMAL1 zusammenarbeitet , um seine HAT-Aktivität auszuführen.

Kernrezeptor-Koaktivatoren

Drei wichtige Kernrezeptor-Coaktivatoren, die HAT-Aktivität zeigen, sind SRC-1 , ACTR und TIF-2 . Humanes SRC-1 (Steroidrezeptor-Koaktivator-1) ist dafür bekannt, mit p300/CBP und PCAF zu interagieren, und seine HAT-Domäne befindet sich in seiner C-terminalen Region. ACTR (beim Menschen auch als RAC3, AIB1 und TRAM-1 bekannt) weist eine signifikante Sequenzhomologie mit SRC-1 auf, insbesondere in den N-terminalen und C-terminalen (HAT) Regionen sowie in den Rezeptor- und Coaktivator-Interaktionsdomänen . ACTR interagiert auch mit p300/CBP und PCAF. Erstere kann ACTR daran hindern, an seinen Rezeptor zu binden und diesen zu aktivieren, indem er es in seiner Rezeptor-Interaktionsdomäne acetyliert. TIF-2 (transcriptional intermediary factor 2; auch bekannt als GRIP1) ist ein weiterer nuklearer Rezeptor-Coaktivator mit HAT-Aktivität und interagiert auch mit p300/CBP.

Eine Tabelle, die die verschiedenen Familien von HATs zusammen mit ihren assoziierten Mitgliedern, Elternorganismen, Komplexen mit mehreren Untereinheiten, Histonsubstraten und strukturellen Merkmalen zusammenfasst, ist unten dargestellt.

Familie Organismus Assoziierte Komplexe Substratspezifität Strukturelle Eigenschaften
MÜCKE
Gcn5 S. cerevisiae SAGA, SLIK (SALSA), ADA, HUT-A2 H2B, H3, (H4) Bromodomäne
GCN5 D. melanogaster SAGA, ATAC H3, H4 Bromodomäne
GCN5 H. sapiens STAGA, TFTC H3, (H4, H2B) Bromodomäne
PCAF H. sapiens PCAF H3, H4 Bromodomäne
Hut1 S. cerevisiae - H. sapiens HAT-B, NuB4, HAT-A3 H4, (H2A)
Elp3 S. cerevisiae Elongator H3, H4, (H2A, H2B)
Hpa2 S. cerevisiae HUT-B H3, H4
Hpa3 S. cerevisiae H3, H4
ATF-2 S. cerevisiae - H. sapiens H2B, H4
Mutter1 S. cerevisiae Vermittler H3, H4
MYST
Esa1 S. cerevisiae NuA4, Piccolo NuA4 H2A, H4, (H2B, H3) Chromodomäne
Sas2 S. cerevisiae SAS, NuA4 H4, (H2A, H3)
Sas3 (Ybf2) S. cerevisiae NuA3 H3, (H4, H2A)
Tipp60 H. sapiens Tipp60, NuA4 H2A, H4, (H3) Chromodomäne
MOF D. melanogaster MSL H4, (H2A, H3) Chromodomäne
MOZ H. sapiens MSL H3, H4
MÄNNLICH ODER WEIBLICH H. sapiens MSL H3, H4
HBO1 H. sapiens ORC H3, H4
p300/CBP
p300 H. sapiens H2A, H2B, H3, H4 Bromodomäne
CBP H. sapiens H2A, H2B, H3, H4 Bromodomäne
SRC (nukleare Rezeptor-Koaktivatoren)
SRC-1 H. sapiens ACTR/SRC-1 H3, H4
ACTR (RAC3, AIB1, TRAM-1, SRC-3) H. sapiens ACTR/SRC-1 H3, H4
TIF-2 (GRIP1) H. sapiens H3, H4
Sonstiges
TAF II 250 (TAF1) S. cerevisiae - H. sapiens TFIID H3, H4, (H2A) Bromodomäne
TFIIIC (S.220, S.110, S.90) H. sapiens TFIIIC H2A, H3, H4
Rtt109 S. cerevisiae Histon-Begleiter H3
UHR H. sapiens H3, H4

Gesamtstruktur

Kristallstruktur von Tetrahymena Gcn5 mit gebundenem Coenzym A und Histon H3-Peptid (PDB 1QSN). Der zentrale Kern (grün), flankierende N- und C-terminale Segmente (blau), Coenzym A (orange) und Histonpeptid (rot) sind dargestellt.

Im Allgemeinen zeichnen sich HATs durch eine strukturell konservierte Kernregion aus, die aus einem dreisträngigen β-Faltblatt besteht, gefolgt von einer langen α-Helix, die parallel dazu und eine Seite davon überspannt. Die Kernregion, die den Motiven A, B und D der GNAT-Proteine ​​entspricht, wird auf gegenüberliegenden Seiten von N- und C-terminalen α/β-Segmenten flankiert, die für eine gegebene HAT-Familie strukturell einzigartig sind. Der zentrale Kern und die flankierenden Segmente bilden zusammen eine Spalte über dem ersteren, wo Histonsubstrate vor der Katalyse binden können. Während die zentrale Kerndomäne (Motiv A in GNATs) an der Acetyl-CoA-Bindung und -Katalyse beteiligt ist, unterstützen die N- und C-terminalen Segmente die Bindung von Histonsubstraten. Einzigartige Merkmale in Bezug auf die Sequenz und/oder Struktur der N- und C-terminalen Regionen für verschiedene HAT-Familien können helfen, einige beobachtete Unterschiede zwischen HATs in der Histonsubstratspezifität zu erklären. Es wurde beobachtet, dass die CoA-Bindung die Histon-Bindungsfurche im zentralen Kern durch Verschieben des C-terminalen Segments von Gcn5 nach außen erweitert. Da außerdem Kontakte zwischen CoA und Protein die Bildung von günstigen Histon-Protein-Kontakten erleichtern, ist es wahrscheinlich, dass die CoA-Bindung der Histon-Bindung in vivo vorausgeht .

GNAT- und MYST-Familien

HATs in der GNAT-Familie zeichnen sich vor allem durch eine HAT-Domäne mit etwa 160 Resten und eine C-terminale Bromodomäne aus, die an acetylierte Lysinreste bindet. Diejenigen in der MYST-Familie haben HAT-Domänen mit einer Länge von etwa 250 Resten. Viele MYST-Proteine ​​enthalten neben einer N-terminalen Chromodomäne, die an methylierte Lysinreste bindet, auch eine Cystein-reiche, zinkbindende Domäne innerhalb der HAT-Region .

Auf breiterer Ebene weisen die Strukturen der katalytischen Domänen von GNAT-Proteinen (Gcn5, PCAF) eine gemischte α/β-Globularfaltung mit insgesamt fünf α-Helices und sechs β-Strängen auf. Die Gesamttopologie ähnelt einem Schraubstock mit dem zentralen Kern des Proteins an der Basis und den N- und C-terminalen Segmenten an den Seiten.

p300/CBP-Familie

Die p300/CBP-HATs haben größere HAT-Domänen (etwa 500 Reste) als diejenigen, die in den GNAT- und MYST-Familien vorhanden sind. Sie enthalten auch eine Bromodomäne sowie drei Cystein-/Histidin-reiche Domänen, von denen angenommen wird, dass sie Wechselwirkungen mit anderen Proteinen vermitteln. Die Struktur von p300/CBP ist durch eine verlängerte globuläre Domäne gekennzeichnet, die im Zentrum ein siebensträngiges β-Faltblatt enthält, das von neun α-Helices und mehreren Schleifen umgeben ist. Die Struktur der zentralen Kernregion, die mit der Acetyl-CoA-Bindung verbunden ist, ist in Bezug auf GNAT- und MYST-HATs konserviert, aber es gibt viele strukturelle Unterschiede in den Regionen, die diesen zentralen Kern flankieren. Insgesamt stimmen die Strukturdaten mit der Tatsache überein, dass p300/CBP-HATs in Bezug auf die Substratbindung promiskuitiver sind als GNAT- und MYST-HATs.

Rtt109

Die Struktur von Rtt109 ist der von p300 sehr ähnlich, obwohl zwischen den beiden Proteinen nur 7% Sequenzidentität besteht. Es gibt ein siebensträngiges β-Faltblatt, das von α-Helices umgeben ist, sowie eine Schleife, die an der Acetyl-CoA-Substratbindung beteiligt ist. Trotz der konservierten Struktur sind Rtt109 und p300/CBP funktionell einzigartig. Zum Beispiel ist die Substratbindungsstelle der ersteren der der GNAT- und MYST-HATs ähnlicher. Darüber hinaus sind die Reste im aktiven Zentrum jedes Enzyms unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass sie unterschiedliche katalytische Mechanismen für den Acetylgruppentransfer verwenden.

Katalytische Mechanismen

Der von HATs katalysierte Grundmechanismus beinhaltet die Übertragung einer Acetylgruppe von Acetyl-CoA auf die ε-Aminogruppe einer Ziel-Lysin-Seitenkette innerhalb eines Histons. Verschiedene Familien von HATs verwenden einzigartige Strategien, um eine solche Transformation zu bewirken.

Katalytische Mechanismen von HATs der GNAT- und MYST-Familie. (A) Allgemeiner Mechanismus von GNAT-HATs. (B) Allgemeiner Mechanismus von MYST HATs.

GNAT-Familie

Mitglieder der GNAT-Familie haben einen konservierten Glutamatrest, der als allgemeine Base für die Katalyse des nukleophilen Angriffs des Lysinamins auf die Acetyl-CoA-Thioesterbindung fungiert. Diese HATs verwenden einen geordneten sequentiellen bi-bi-Mechanismus, bei dem beide Substrate (Acetyl-CoA und Histon) binden müssen, um einen ternären Komplex mit dem Enzym zu bilden, bevor die Katalyse stattfinden kann. Acetyl-CoA bindet zuerst, gefolgt vom Histonsubstrat. Ein konservierter Glutamatrest (Glu173 in Hefe Gcn5) aktiviert ein Wassermolekül zur Entfernung eines Protons aus der Amingruppe von Lysin, das es für den direkten nukleophilen Angriff auf den Carbonylkohlenstoff von enzymgebundenem Acetyl-CoA aktiviert. Nach der Reaktion wird zuerst das acetylierte Histon freigesetzt, gefolgt von CoA.

MYST-Familie

Studien mit Hefe Esa1 aus der MYST-Familie von HATs haben einen Ping-Pong-Mechanismus gezeigt , der konservierte Glutamat- und Cysteinreste umfasst. Der erste Teil der Reaktion beinhaltet die Bildung eines kovalenten Zwischenprodukts, in dem ein Cysteinrest nach einem nukleophilen Angriff dieses Rests auf den Carbonylkohlenstoff von Acetyl-CoA acetyliert wird. Dann fungiert ein Glutamatrest als allgemeine Base, um den Transfer der Acetylgruppe vom Cystein zum Histonsubstrat in einer Weise zu erleichtern, die dem von GNATs verwendeten Mechanismus analog ist. Wenn Esa1 in den Piccolo- NuA4- Komplex eingebaut wird , verliert es seine Abhängigkeit vom Cysteinrest für die Katalyse, was darauf hindeutet, dass die Reaktion über einen ternären bi-bi-Mechanismus ablaufen kann, wenn das Enzym Teil eines physiologisch relevanten Multiproteinkomplexes ist.

p300/CBP-Familie

In humanem p300 wirkt Tyr1467 als allgemeine Säure und Trp1436 hilft dabei, den Ziel-Lysinrest des Histonsubstrats in das aktive Zentrum auszurichten. Diese beiden Reste sind innerhalb der p300/CBP-HAT-Familie hochkonserviert und im Gegensatz zu Enzymen in den GNAT- und MYST-Familien verwendet p300 keine allgemeine Base für die Katalyse. Es ist eher wahrscheinlich, dass Mitglieder der p300/CBP-Familie einen Theorell-Chance-(dh "Hit-and-Run")-Acetyltransfermechanismus verwenden.

Rtt109

Rtt109 verwendet wahrscheinlich einen Mechanismus, der sich von dem der anderen HATs unterscheidet. Das Hefeenzym hat in Abwesenheit der Histon-Chaperonproteine Asf1 und Vps75, die an der Abgabe von Histonsubstraten an das Enzym zur Acetylierung beteiligt sein können, eine sehr geringe katalytische Aktivität . Darüber hinaus wurde für diesen HAT noch keine allgemeine Säure oder Base identifiziert.

Substratbindung und Spezifität

Die Strukturen mehrerer HAT-Domänen, die an Acetyl-CoA- und Histon-Substratpeptide gebunden sind, zeigen, dass letztere über eine Furche des Proteins binden, die von der zentralen Kernregion an der Basis gebildet wird und auf gegenüberliegenden Seiten von den variablen N- und C .-Peptiden flankiert wird -terminale Segmente, die den Großteil der Wechselwirkungen mit dem Substratpeptid vermitteln. Es ist wahrscheinlich, dass diese variablen Regionen zumindest teilweise für die beobachtete Spezifität verschiedener HATs für verschiedene Histonsubstrate verantwortlich sind.

Mitglieder der GNAT- und MYST-Familien sowie Rtt109 weisen eine höhere Substratselektivität auf als p300/CBP, das hinsichtlich der Substratbindung eher promiskuitiv ist. Während für eine effektive Substratbindung und Katalyse durch Mitglieder der GNAT- und p300/CBP-Familien anscheinend nur drei bis fünf Reste auf beiden Seiten des zu acetylierenden Lysins notwendig sind, können distalere Regionen des Substrats für eine effiziente Acetylierung von Bedeutung sein MYST-Familien-Hüte.

Lysin-Selektivität

Es wurde gezeigt, dass verschiedene HATs, gewöhnlich im Zusammenhang mit Komplexen mit mehreren Untereinheiten, spezifische Lysinreste in Histonen acetylieren.

GNAT-Familie

Gcn5 kann nukleosomale Histone in Abwesenheit anderer Proteinfaktoren nicht acetylieren. Im Zusammenhang mit Komplexen wie SAGA und ADA ist Gcn5 jedoch in der Lage, H3K14 unter anderem innerhalb der Histone H2B, H3 und H4 (zB H3K9, H3K36, H4K8, H4K16) zu acetylieren. Sowohl Gcn5 als auch PCAF haben die stärkste Standortpräferenz für H3K14, entweder als freies Histon oder innerhalb eines Nukleosoms. Hat1 acetyliert H4K5 und H4K12 und Hpa2 acetyliert H3K14 in vitro .

MYST-Familie

Bei Fliegen korreliert die Acetylierung von H4K16 auf dem männlichen X-Chromosom durch MOF im Kontext des MSL-Komplexes mit einer transkriptionellen Hochregulation als Mechanismus zur Dosiskompensation in diesen Organismen. Beim Menschen führt der MSL-Komplex den Großteil der genomweiten H4K16-Acetylierung durch. Im Zusammenhang mit ihren kognaten Komplexen, Sas2 (SAS) und ESA1 (NuA4) führen auch Acetylierung von H4K16, insbesondere in den Telomer - Regionen von Chromosomen. Es wird auch beobachtet, dass Sas2 H3K14 in vitro an freien Histonen acetyliert . Esa1 kann auch H3K14 in vitro an freien Histonen sowie H2AK5, H4K5, H4K8 und H4K12 entweder in vitro oder in vivo an nukleosomalen Histonen acetylieren . Es wird auch beobachtet, dass H2AK7 und H2BK16 durch Esa1 in vivo acetyliert werden . Bemerkenswerterweise können weder Sas2 noch Esa1 nukleosomale Histone in vitro als freies Enzym acetylieren . Dies ist auch bei Sas3 der Fall, von dem beobachtet wird, dass es H3K9 und H3K14 in vivo sowie Lysinreste an H2A und H4 acetyliert . MOZ kann auch H3K14 acetylieren.

Andere

p300/CBP acetyliert alle vier nukleosomalen Kernhistone gleich gut. In vitro wurde beobachtet, dass sie H2AK5, H2BK12, H2BK15, H3K14, H3K18, H4K5 und H4K8 acetylieren. SRC-1 acetyliert H3K9 und H3K14, TAF II 230 (Drosophila-Homolog von humanem TAF II 250) acetyliert H3K14 und Rtt109 acetyliert H3K9, H3K23 und H3K56 in Gegenwart von entweder Asf1 oder Vps75.

Nicht-Histon-Substrate ( in vitro )

Zusätzlich zu den Kernhistonen acetylieren bestimmte HATs eine Reihe anderer zellulärer Proteine, einschließlich Transkriptionsaktivatoren , basale Transkriptionsfaktoren , Strukturproteine, Polyamine und Proteine, die am Kernimport beteiligt sind. Die Acetylierung dieser Proteine ​​kann ihre Fähigkeit verändern, mit ihrer verwandten DNA und/oder Proteinsubstraten zu interagieren. Die Idee, dass die Acetylierung die Proteinfunktion auf diese Weise beeinflussen kann, hat zu Untersuchungen über die Rolle von Acetyltransferasen in Signalübertragungswegen geführt und ob diesbezüglich eine angemessene Analogie zu Kinasen und Phosphorylierungsereignissen hergestellt werden kann.

PCAF

PCAF und p300/CBP sind die wichtigsten HATs, von denen beobachtet wurde, dass sie eine Reihe von Nicht-Histon-Proteinen acetylieren. Bei PCAF sind dies die Nicht-Histon-Chromatin - Proteine HMG-N2/HMG17 und HMG-I(Y) , die Transkriptionsaktivatoren p53 , MyoD , E2F(1-3) und HIV-Tat . und die allgemeinen Transkriptionsfaktoren TFIIE und TFIIF . Andere Proteine ​​umfassen CIITA , Brm (Chromatin Remodeler), NF-κB (p65), TAL1/SCL , Beta2/NeuroD , C/EBPβ , IRF2 , IRF7 , YY1 , KLF13 , EVI1 , AME, ER81 und der Androgenrezeptor (AR ) . PCAF wird auch zu acetylieren beobachtet worden , c-MYC , GATA-2 , Retinoblastom (Rb) , Ku70 und E1A - Adenovirus - Protein. Es kann auch autoacetylieren, was intramolekulare Wechselwirkungen mit seiner Bromodomäne erleichtert, die an der Regulierung seiner HAT-Aktivität beteiligt sein könnte.

p300/CBP

p300/CBP haben viele Nicht-Histon-Substrate, darunter die Nicht-Histon-Chromatinproteine HMG1 , HMG-N1/HMG14 und HMG-I(Y), die Transkriptionsaktivatoren p53, c-Myb , GATA-1 , EKLF , TCF , und HIV-Tat, die Kernrezeptor-Koaktivatoren ACTR, SRC-1 und TIF-2 und die allgemeinen Transkriptionsfaktoren TFIIE und TFIIF. Andere Substrate umfassen die Transkriptionsfaktoren Sp1, KLF5 , FOXO1 , MEF2C , SRY , GATA-4 und HNF-6 , HMG-B2 , STAT3 , die Androgen- und Östrogen-(α) -Rezeptoren, GATA-2, GATA-3 , MyoD, E2F(1-3), p73- α, Retinoblastom (Rb), NF-κB (p50, p65), Smad7 , Importin-α , Ku70, YAP1 , E1A-Adenovirus-Protein und S-HDAg ( Hepatitis-Delta-Virus- Small-Delta-Antigen) . Es wurde auch beobachtet, dass p300/CBP β-Catenin , RIP140 , PCNA , die metabolischen DNA-Enzyme Flap-Endonuklease-1 , Thymin-DNA-Glykosylase und Werner-Syndrom-DNA-Helikase , STAT6 , Runx1 (AML1) , UBF, Beta2/NeuroD, CREB . acetyliert , c-Jun , C/EBPβ, NF-E2 , SREBP , IRF2, Sp3 , YY1, KLF13, EVI1, BCL6 , HNF-4 , ER81 und FOXO4 (AFX) .

HAT-Komplexe mit mehreren Untereinheiten

Es wurde beobachtet, dass die Bildung von Komplexen mit mehreren Untereinheiten die Substratspezifität von HATs moduliert. Während rekombinante HATs im Allgemeinen in der Lage sind, freie Histone zu acetylieren, können HATs nukleosomale Histone nur acetylieren, wenn sie sich in ihren jeweiligen in vivo- HAT-Komplexen befinden. Einige der Proteine ​​, die in diesen Komplexen mit HATs assoziieren , funktionieren , indem sie den HAT - Komplex auf Nukleosomen an bestimmten Regionen im Genom richten . Beispielsweise wurde beobachtet, dass HAT-Komplexe (zB SAGA, NuA3) häufig methylierte Histone als Andockstellen verwenden, damit die katalytische HAT-Untereinheit die Histonacetylierung effektiver durchführen kann.

Darüber hinaus beeinflusst die Bildung von HAT-Komplexen mit mehreren Untereinheiten die Lysin-Spezifität von HATs. Die spezifischen Lysinreste, die ein gegebener HAT acetyliert, können bei Assoziation mit seinem jeweiligen Komplex in ihrem Umfang entweder breiter oder eingeschränkter werden. Zum Beispiel wird die Lysin-Spezifität der HATs der MYST-Familie gegenüber ihren Histon-Substraten stärker eingeschränkt, wenn sie mit ihren Komplexen assoziieren. Im Gegensatz dazu erwirbt Gcn5 die Fähigkeit, mehrere Stellen in beiden Histonen H2B und H3 zu acetylieren, wenn es sich mit anderen Untereinheiten verbindet, um die SAGA- und ADA-Komplexe zu bilden. Darüber hinaus wird die Spezifität der Acetylierungsstelle von Rtt109 durch seine Assoziation mit entweder Vps75 oder Asf1 bestimmt. Im Komplex mit ersterem acetyliert Rtt109 H3K9 und H3K27, aber im Komplex mit letzterem acetyliert es vorzugsweise H3K56.

Regulierung der HAT-Aktivität

Die katalytische Aktivität von HATs wird durch zwei Arten von Mechanismen reguliert: (1) Interaktion mit regulatorischen Proteinuntereinheiten und (2) Autoacetylierung. Eine gegebene HAT kann auf verschiedene Weise reguliert werden, und derselbe Effektor kann unter verschiedenen Bedingungen tatsächlich zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Obwohl klar ist, dass die Assoziation von HATs mit Multiproteinkomplexen einen Mechanismus für die Regulation sowohl der HAT-Aktivität als auch der Substratspezifität in vivo bereitstellt , ist die molekulare Grundlage dafür, wie dies tatsächlich geschieht, noch weitgehend unbekannt. Die Daten legen jedoch nahe, dass assoziierte Untereinheiten zumindest teilweise zur Katalyse beitragen können, indem sie die produktive Bindung des HAT-Komplexes an seine nativen Histonsubstrate erleichtern.

Es wurde gezeigt, dass die MYST-Familie von HATs, p300/CBP und Rtt109 alle durch Autoacetylierung reguliert werden. Humanes MOF sowie Hefe Esa1 und Sas2 werden an einem konservierten Lysinrest des aktiven Zentrums autoacetyliert, und diese Modifikation ist für ihre Funktion in vivo erforderlich . Humanes p300 enthält eine in der Mitte seiner HAT-Domäne eingebettete, stark basische Schleife, die in der aktiven Form des Enzyms hyperacetyliert ist. Es wurde vorgeschlagen, dass diese Schleife bei der Autoacetylierung von der elektronegativen Substratbindungsstelle freigesetzt wird, wo sie im inaktiven HAT sitzt. Die Acetylierung von Hefe Rtt109 an Lys290 ist ebenfalls erforderlich, damit es die volle katalytische Aktivität zeigt. Einige HATs werden auch durch Acetylierung gehemmt. Zum Beispiel wird die HAT-Aktivität des Kernrezeptor-Koaktivators ACTR bei Acetylierung durch p300/CBP gehemmt.

Interaktion mit HDACs

Histonacetyltransferasen (HATs) und Histondeacetylasen (HDACs) werden durch physikalische Interaktionen mit sequenzspezifischen Transkriptionsfaktoren zu ihren Zielpromotoren rekrutiert. Sie funktionieren normalerweise innerhalb eines Komplexes mit mehreren Untereinheiten, in dem die anderen Untereinheiten für sie notwendig sind, um Histonreste um die Bindungsstelle herum zu modifizieren. Diese Enzyme können auch Nicht-Histon-Proteine ​​modifizieren.

Biologische Rolle

Chromatin-Remodeling

Histonschwänze und ihre Funktion bei der Chromatinbildung

Histon-Acetyltransferasen erfüllen viele biologische Funktionen innerhalb der Zelle. Chromatin ist eine Kombination aus Proteinen und DNA im Zellkern und unterliegt vielen strukturellen Veränderungen, wenn verschiedene zelluläre Ereignisse wie DNA-Replikation , DNA-Reparatur und Transkription auftreten. Chromatin in der Zelle kann in zwei Zuständen gefunden werden: kondensiert und nicht kondensiert. Letzteres, bekannt als Euchromatin , ist transkriptionell aktiv, während ersteres, bekannt als Heterochromatin , transkriptionell inaktiv ist. Histone umfassen den Proteinanteil des Chromatins. Es gibt fünf verschiedene Histonproteine : H1, H2A, H2B, H3 und H4. Ein Kernhiston wird gebildet, wenn zwei von jedem Histon-Subtyp, mit Ausnahme von H1, einen quartären Komplex bilden. Dieser octamere Komplex bildet zusammen mit den 147 Basenpaaren der um ihn gewundenen DNA das Nukleosom . Histon H1 bindet den Nukleosomenkomplex zusammen und ist das letzte Protein, das an den Komplex bindet.

Histone sind in der Regel positiv geladene Proteine ​​mit N-terminalen Schwänzen, die aus dem Kern stammen. Das Phosphodiester-Rückgrat der DNA ist negativ, was starke ionische Wechselwirkungen zwischen Histonproteinen und DNA ermöglicht. Histon-Acetyltransferasen übertragen eine Acetylgruppe auf spezifische Lysinreste an Histonen, die deren positive Ladung neutralisiert und damit die starken Wechselwirkungen zwischen Histon und DNA reduziert. Es wird auch angenommen, dass die Acetylierung die Interaktionen zwischen einzelnen Nukleosomen stört und als Interaktionsstellen für andere DNA-assoziierte Proteine ​​fungiert.

Es kann verschiedene Grade der Histonacetylierung sowie andere Arten von Modifikationen geben, die es der Zelle ermöglichen, während verschiedener zellulärer Ereignisse wie Replikation, Transkription, Rekombination und Reparatur die Kontrolle über den Grad der Chromatinpackung zu haben. Die Acetylierung ist nicht die einzige regulatorische posttranslationale Modifikation von Histonen, die die Chromatinstruktur diktiert; Methylierung, Phosphorylierung, ADP-Ribosylierung und Ubiquitinierung wurden ebenfalls berichtet. Diese Kombinationen verschiedener kovalenter Modifikationen an den N-terminalen Schwänzen von Histonen wurden als Histon-Code bezeichnet , und es wird angenommen, dass dieser Code vererbbar ist und in der nächsten Zellgeneration erhalten bleibt.

H3- und H4-Histonproteine ​​sind die primären Ziele von HATs, aber H2A und H2B werden auch in vivo acetyliert . Die Lysine 9, 14, 18 und 23 von H3 und die Lysine 5, 8, 12 und 16 von H4 werden alle für die Acetylierung bestimmt. Die Lysine 5, 12, 15 und 20 sind an Histon H2B acetyliert, während nur die Lysine 5 und 9 an Histon H2A acetyliert wurden. Bei so vielen verschiedenen Stellen für die Acetylierung kann ein hohes Maß an Spezifität beim Auslösen spezifischer Reaktionen erreicht werden. Ein Beispiel für diese Spezifität ist, wenn Histon H4 an den Lysinen 5 und 12 acetyliert wird. Dieses Acetylierungsmuster wurde während der Histonsynthese beobachtet. Ein weiteres Beispiel ist die Acetylierung von H4K16, die mit einer Dosiskompensation des männlichen X-Chromosoms bei Drosophila melanogaster in Verbindung gebracht wurde .

Genexpression

Schematische Darstellung der Rolle von HATs bei der Gentranskription.

Histonmodifikationen modulieren die Packung von Chromatin. Der Packungsgrad der DNA ist für die Gentranskription wichtig, da die Transkriptionsmaschinerie Zugang zum Promotor haben muss, damit die Transkription stattfindet. Die Neutralisation geladener Lysinreste durch HATs ermöglicht die Dekondensation des Chromatins, so dass diese Maschinerie Zugang zum zu transkribierenden Gen hat. Die Acetylierung ist jedoch nicht immer mit einer erhöhten Transkriptionsaktivität verbunden. Beispielsweise wurde die Acetylierung von H4K12 mit kondensiertem und transkriptionell inaktivem Chromatin in Verbindung gebracht. Darüber hinaus sind einige Histonmodifikationen kontextabhängig sowohl mit verstärkter als auch mit unterdrückter Aktivität verbunden.

HATs wirken als transkriptionelle Co-Aktivatoren oder Gen-Silencer und werden am häufigsten in großen Komplexen aus 10 bis 20 Untereinheiten gefunden, von denen einige von verschiedenen HAT-Komplexen geteilt werden. Zu diesen Komplexen gehören SAGA (Spt/Ada/Gcn5L-Acetyltransferase), PCAF, ADA (Transkriptionsadapter), TFIID (Transkriptionsfaktor II D), TFTC (TBP-freier TAF-haltiger Komplex) und NuA3/NuA4 (nukleosomale Acetyltransferasen von H3 und H4). Diese Komplexe modulieren die HAT-Spezifität, indem sie HATs zu ihren Zielgenen bringen, wo sie dann nukleosomale Histone acetylieren können. Einige HAT-Transkriptions-Co-Aktivatoren enthalten eine Bromodomäne , ein 110-Aminosäuren-Modul, das acetylierte Lysin-Reste erkennt und funktionell mit den Co-Aktivatoren bei der Regulation der Transkription verbunden ist.

Klinische Bedeutung

Die Fähigkeit von Histon-Acetyltransferasen, die Chromatinstruktur zu manipulieren und ein epigenetisches Gerüst zu schaffen, macht sie für die Zellerhaltung und das Überleben unverzichtbar. Der Prozess des Chromatin-Remodeling umfasst mehrere Enzyme, einschließlich HATs, die bei der Neubildung von Nukleosomen helfen und für die Funktion von DNA-Schadensreparatursystemen erforderlich sind. HATs wurden als Hilfsmittel für das Fortschreiten der Krankheit, insbesondere bei neurodegenerativen Erkrankungen, in Verbindung gebracht. Zum Beispiel ist die Huntington-Krankheit eine Krankheit, die motorische Fähigkeiten und geistige Fähigkeiten beeinträchtigt. Die einzige bekannte Mutation, die mit der Krankheit in Verbindung gebracht wurde, befindet sich in der N-terminalen Region des Proteins Huntingtin (htt) . Es wurde berichtet, dass htt direkt mit HATs interagiert und die katalytische Aktivität von p300/CBP und PCAF in vitro unterdrückt .

Das humane vorzeitige Alterungssyndrom Hutchinson Gilford Progerie wird durch einen Mutationsdefekt in der Verarbeitung von Lamin A , einem nuklearen Matrixprotein , verursacht. In einem Mausmodell dieses Zustands wird die Rekrutierung von Reparaturproteinen an Stellen mit DNA-Schäden verzögert. Der molekulare Mechanismus, der dieser verzögerten Reparaturreaktion zugrunde liegt, beinhaltet einen Histonacetylierungsdefekt. Spezifisch ist Histon H4 an einem Lysin-16-Rest (H4K16) hypoacetyliert, und dieser Defekt ist auf eine reduzierte Assoziation der Histon-Acetyltransferase, Mof, an die Kernmatrix zurückzuführen

Spinozerebelläre Ataxie Typ 1 ist eine neurodegenerative Erkrankung, die durch ein defektes mutiertes Ataxin-1- Protein entsteht. Mutant Ataxin-1 reduziert Histonacetylierung in verdrängter Histon - Acetyltransferase-vermittelte resultierende Transkription .

HATs wurden auch mit der Kontrolle von Lern- und Gedächtnisfunktionen in Verbindung gebracht. Studien haben gezeigt, dass Mäuse ohne PCAF oder CBP Anzeichen von Neurodegeneration zeigen . Mäuse mit PCAF-Deletion sind in Bezug auf das Lernen inkompetent, und diejenigen mit CBP-Deletion scheinen unter einem Verlust des Langzeitgedächtnisses zu leiden.

Die Fehlregulation des Gleichgewichts zwischen Acetylierung und Deacetylierung wurde auch mit der Manifestation bestimmter Krebsarten in Verbindung gebracht. Wenn Histon-Acetyltransferasen gehemmt werden, kann beschädigte DNA möglicherweise nicht repariert werden, was schließlich zum Zelltod führt. Die Kontrolle des Chromatin-Remodeling- Prozesses in Krebszellen könnte ein neuartiges Wirkstoffziel für die Krebsforschung darstellen. Ein Angriff auf diese Enzyme in Krebszellen könnte aufgrund einer hohen Anhäufung von DNA-Schäden zu einer erhöhten Apoptose führen. Ein solcher Inhibitor von Histon-Acetyltransferasen heißt Garcinol. Diese Verbindung kommt in den Schalen der Garcinia indica- Frucht vor, auch Mangostan genannt . Um die Auswirkungen von Garcinol auf Histon-Acetyltransferasen zu untersuchen, verwendeten die Forscher HeLa- Zellen. Die Zellen wurden einer Bestrahlung unterzogen, wodurch Doppelstrangbrüche in der DNA erzeugt wurden, und Garcinol wurde in die Zellen eingeführt, um zu sehen, ob es die Reaktion auf DNA-Schäden beeinflusst. Wenn Garcinol erfolgreich den Prozess der nicht-homologen Endverbindung hemmt , einem DNA-Reparaturmechanismus, der bevorzugt Doppelstrangbrüche fixiert, kann es als Radiosensibilisator dienen , ein Molekül, das die Empfindlichkeit von Zellen gegenüber Strahlenschäden erhöht. Eine Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit kann die Wirksamkeit der Strahlentherapie erhöhen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links