Кіріспе
Ацетил CoA-дан ацетил тобын гистондарға беруді катализдейтін ферменттер – бұл гистон белоктарындағы консервацияланған лизин аминқышқылдарын ацетил CoA-дан ацетил тобын ауыстыру арқылы ε N-ацетиллизин құрауына мүмкіндік беретін ферменттер. ДНК гистондармен оралған, ал ацетил тобын гистондарға беру арқылы гендерді қосу немесе өшіру процесі жүзеге асырылады. Жалпы алғанда, гистон ацетилациясы ген экспрессиясын күшейтеді. Әдетте, гистон ацетилденуі транскрипциялық белсендірумен байланысты және эухроматинмен қатар жүреді. Эухроматин тығыздығы төмен болғандықтан, транскрипция факторлары ДНК-дағы реттеуші аймақтарға оңайрақ байланып, транскрипциялық белсенділікті тудырады. Алғаш рет ашылғанда, лизиннің ацетилденуі оның қалыпты оң зарядын бейтараптайды деп есептелді, бұл гистон мен (теріс зарядталған) ДНК арасындағы байланысты әлсіздетеді, соның салдарынан ДНК транскрипция факторларына жеңіл қолжетімді болады. Кейінірек жүргізілген зерттеулер лизин ацетилденуі және гистондардың басқа посттрансляциялық модификациялары, мысалы, ацетиллизинге байланысатын бромдомен сияқты, белгілі бір белок-белок өзара әрекеттесу домендері үшін байланыс орындарын жасайтынын көрсетті. Гистон ацетилтрансферазалары ген экспрессиясын жеңілдету үшін ядролық рецепторлар және басқа транскрипция факторлары сияқты гистон емес белоктарды да ацетилдей алады.
Histone acetyltransferases (HATs) are enzymes that acetylate conserved lysine amino acids on histone proteins by transferring an acetyl group from acetyl CoA to form ε N acetyllysine. DNA is wrapped around histones, and, by transferring an acetyl group to the histones, genes can be turned on and off. In general, histone acetylation increases gene expression. In general, histone acetylation is linked to transcriptional activation and associated with euchromatin. Euchromatin, which is less densely compact, allows transcription factors to bind more easily to regulatory sites on DNA, causing transcriptional activation. When it was first discovered, it was thought that acetylation of lysine neutralizes the positive charge normally present, thus reducing affinity between histone and (negatively charged) DNA, which renders DNA more accessible to transcription factors. Research has emerged, since, to show that lysine acetylation and other posttranslational modifications of histones generate binding sites for specific protein–protein interaction domains, such as the acetyllysine binding bromodomain. Histone acetyltransferases can also acetylate non histone proteins, such as nuclear receptors and other transcription factors to facilitate gene expression.
HAT отбасылары
HAT-тар субклеткалық орналасуына сәйкес екі түрлі классқа бөлінеді. Олардың құрамында бромдомейн болады, ол гистон субстраттарындағы ацетилделген лизин қалдықтарын тануға және байланысуға көмектеседі. Gcn5, p300/CBP және TAFII250 – транскрипцияны күшейту үшін активаторлармен бірлесе жұмыс істейтін А типі HAT-тардың мысалдары. В типі HAT-тар цитоплазмада орналасқан және нуклеосомаларға жиналу алдында жаңа синтезделген гистондарды ацетилдеуге жауапты. Олардың мақсаттары ацетилделмеген болғандықтан, бұл HAT-тарда бромдомейн жоқ. В типі HAT-тар гистондарға қосылған ацетил топтары, ядроға енгеннен кейін HDAC-тармен алынып тасталады және хроматинге енгізіледі. Hat1 – В типі HAT-тың сирек белгілі мысалдарының бірі.
Gcn5-ке байланысты N-ацетилтрансферазалар (GNAT)
HAT-тер тізбектік гомологияға, сондай-ақ ортақ құрылымдық ерекшеліктері мен функционалдық рөлдеріне сәйкес бірнеше түрлі отбасыларға жіктелуі мүмкін. Gcn5-ке байланысты N ацетилтрансферазалар (GNAT) отбасысына Gcn5, PCAF, Hat1, Elp3, Hpa2, Hpa3, ATF 2 және Nut1 жатады. Бұл HAT-тардың көпшілігі бромдомейннің болуымен сипатталады және олар H2B, H3 және H4 гистондарының лизин қалдықтарын ацетилдейді. Tip60 (Tat-пен өзара әрекеттесетін ақуыз, 60 кДа) HAT белсенділігін көрсеткен алғашқы адам MYST отбасының мүшесі болды. Ашытқыда табылған Sas3, адамда кездесетін MOZ (моноциттік лейкемияның мырыш саусақты ақуызы) онкогенінің гомологы болып табылады. Esa1 ашытқыда табылған алғашқы HAT, ал MOF – жеміс шыбынында оның гомологы. Соңғысының HAT белсенділігі шыбындарда еркек X хромосомасының транскрипциясын екі есе арттыру үшін қажет (дозалық компенсация). Адамның HBO1 (ORC1-ге байланысқан HAT) репликация кешенінің басталу тегінің компоненттерімен байланысы бар алғашқы HAT болды. MORF (MOZ-бен байланысты фактор) бүкіл ұзындығы бойынша MOZ-ға өте жақын гомологияны көрсетеді және бірнеше мырыш саусақты аймақтар, бромдомейн, каталитикалық (HAT) домен және басқа транскрипция факторларымен өзара әрекеттесетін аймақтарды қамтиды, сондай-ақ p300/CBP транскрипциялық активацияда жұмыс істеуі үшін қажет. Rtt109 – белсенділігі үшін гистон шаперондық ақуыздарымен байланысуды қажет ететін саңырауқұлаққа тән HAT.
Ядролық рецепторларды коактивациялау құралдары
HAT белсенділігін көрсететін үш маңызды ядролық рецептор коактиваторы - SRC 1, ACTR және TIF 2. Адамның SRC 1 (стероид рецепторларының коактиваторы 1) p300/CBP және PCAF-пен өзара әрекеттеседі, ал оның HAT домені оның C терминалды аймағында орналасқан. ACTR (адамда RAC3, AIB1 және TRAM 1 деп те аталады) SRC 1-ге, әсіресе N терминалы мен C терминалы (HAT) аймақтарында, сондай-ақ рецептор мен коактиватордың өзара әрекеттесу домендерінде маңызды реттілік гомологиямен бөліседі. Отбасы мүшелері Организмі Қатысқан кешендер Субстрат ерекшелігі Құрылымдық ерекшеліктер GNAT Gcn5 S. cerevisiae SAGA, SLIK (SALSA), ADA, HAT A2 H2B, H3, (H4) Бромдомейн GCN5 D. melanogaster SAGA, ATAC H3, H4 Бромдомейн GCN5 H. sapiens STAGA, TFTC H3, (H4, H2B) Бромдомейн PCAF H. sapiens PCAF H3, H4 Бромдомейн Hat1 S. cerevisiaeH. sapiens HAT B, NuB4, HAT A3 H4, (H2A) Elp3 S. cerevisiae Elongator H3, H4, (H2A, H2B) Hpa2 S. cerevisiae HAT B H3, H4 Hpa3 S. cerevisiae H3, H4 ATF 2 S. cerevisiaeH. sapiens H2B, H4 Nut1 S. cerevisiae Mediator H3, H4 MYST Esa1 S. cerevisiae NuA4, piccolo NuA4 H2A, H4, (H2B, H3) Хромодомейн Sas2 S. cerevisiae SAS, NuA4 H4, (H2A, H3) Sas3 (Ybf2) S. cerevisiae NuA3 H3, (H4, H2A) Tip60 H. sapiens Tip60, NuA4 H2A, H4, (H3) Хромодомейн MOF D. melanogaster MSL H4, (H2A, H3) Хромодомейн MOZ H. sapiens MSL H3, H4 MORF H. sapiens MSL H3, H4 HBO1 H. sapiens ORC H3, H4 p300/CBP p300 H. sapiens H2A, H2B, H3, H4 Бромдомейн CBP H. sapiens H2A, H2B, H3, H4 Бромдомейн SRC (ядролық рецептор коактиваторлары) 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 Басқалары TAFII250 (TAF1) S. cerevisiaeH. sapiens TFIID H3, H4, (H2A) Бромдомейн TFIIIC (p220, p110, p90) H. sapiens TFIIIC H2A, H3, H4 Rtt109 S. cerevisiae Гистон шаперондары H3 CLOCK H. sapiens H3, H4
HAT A2 H2B, H3, (H4) Bromodomain GCN5 D. melanogaster SAGA, ATAC H3, H4 Bromodomain GCN5 H. sapiens STAGA, TFTC H3, (H4, H2B) Bromodomain PCAF H. sapiens PCAF H3, H4 Bromodomain Hat1 S. cerevisiaeH. sapiens HAT B, NuB4, HAT A3 H4, (H2A) Elp3 S. cerevisiae Elongator H3, H4, (H2A, H2B) Hpa2 S. cerevisiae HAT B H3, H4 Hpa3 S. cerevisiae H3, H4 ATF 2 S. cerevisiaeH. sapiens H2B, H4 Nut1 S. cerevisiae Mediator H3, H4 MYST Esa1 S. cerevisiae NuA4, piccolo NuA4 H2A, H4, (H2B, H3) Chromodomain Sas2 S. cerevisiae SAS, NuA4 H4, (H2A, H3) Sas3 (Ybf2) S. cerevisiae NuA3 H3, (H4, H2A) Tip60 H. sapiens Tip60, NuA4 H2A, H4, (H3) Chromodomain MOF D. melanogaster MSL H4, (H2A, H3) Chromodomain MOZ H. sapiens MSL H3, H4 MORF H. sapiens MSL H3, H4 HBO1 H. sapiens ORC H3, H4 p300/CBP p300 H. sapiens H2A, H2B, H3, H4 Bromodomain CBP H. sapiens H2A, H2B, H3, H4 BromodomainSRC
(nuclear receptor coactivators) 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 Other TAFII250 (TAF1) S. cerevisiaeH. sapiens TFIID H3, H4, (H2A) Bromodomain TFIIIC (p220, p110, p90) H. sapiens TFIIIC H2A, H3, H4 Rtt109 S. cerevisiae Histone chaperones H3 CLOCK H. sapiens H3, H4
Жалпы құрылым
Жалпы, HAT-тар үш тізлімді β-жапырақшадан тұратын және оның бір жағына параллель созылатын ұзын α-спиральдан тұратын, құрылымдық тұрғыдан сақталған негізгі аймақпен сипатталады. Реакцияның алғашқы кезеңі ковалентті аралықтың қалыптасуымен байланысты, онда цистеин қалдығы ацетил-КоА-ның карбонил көміртегіне нуклеофильдік шабуылдан кейін ацетилденеді. Содан кейін, глутамат қалдығы ГНАТ-тар қолданатын механизмға ұқсас түрде, цистеиннен гистон субстратына ацетил тобын көшіруді жеңілдету үшін жалпы негіз ретінде әрекет етеді. Esa1 piccolo NuA4 кешенінде құрастырылғанда, ол катализ үшін цистеин қалдығына тәуелділігін жоғалтады, бұл фермент физиологиялық маңызы бар көпбелокты кешеннің құрамында болғанда реакция үштік би-би механизм арқылы жүруі мүмкін екенін көрсетеді.
p300/CBP отбасы
Адамның p300-інде Tyr1467 жалпы қышқыл қызметін атқарады, ал Trp1436 гистон субстратының мақсатты лизин қалдығын белсенді орынға бағыттауға көмектеседі.
Лизиннің селективтілігі
Әртүрлі HAT-тер, әсіресе көпбөлімді кешендер контекстінде, гистондардағы нақты лизин қалдықтарын ацетилдейтіні көрсетілген.
GNAT отбасы
Gcn5 басқа ақуыз факторлары болмаған жағдайда нуклеосомалық гистондарды ацетилдей алмайды. PCAF сонымен қатар c-MYC, GATA 2, ретинобластома (Rb), Ku70 және E1A аденовирустық белоктарын ацетилдейтіні байқалды. Ол сондай-ақ автоацетилденеді, бұл оның HAT белсенділігін реттеуге қатысы бар бромдоменмен молекулалық өзара әрекеттесуді жеңілдетеді. E1A аденовирустық белоктары және S HDAg (гепатит дельта вирусының кішкентай дельта антигені). Толық каталитикалық белсенділікті көрсету үшін ашытқы Rtt109-дың Lys290 позициясында ацетилденуі де қажет. Кейбір HAT-тар ацетилдену арқылы тежеледі. Мысалы, ядролық рецептор коактиваторы ACTR-дың HAT белсенділігі p300/CBP арқылы ацетилденген кезде тежеледі. Жасұнғылдағы хроматин екі күйде кездеседі: конденсацияланған және конденсацияланбаған. Соңғысы, эвхроматин деп аталады, транскрипциялық тұрғыдан белсенді, ал біріншісі, гетерохроматин деп аталады, транскрипциялық тұрғыдан белсенді емес. Гистондар хроматиннің ақуыздық бөлігін құрайды. Бес түрлі гистон ақуызы бар: H1, H2A, H2B, H3 және H4. Негізгі гистон, H1-ді қоспағанда, әр гистонның екі субтипі төртіншілік кешен құрағанда түзіледі. Бұл октамерлік кешен, оның айналасына оралған 147 негіз жұбымен бірге нуклеосоманы құрайды. Гистон H1 нуклеосома кешенін бірге ұстайды және кешенде соңғы байланысатын ақуыз болып табылады. Гистондар, әдетте, N-терминалдық құйрықтары бар оң зарядталған ақуыздар болып табылады, олар негізден шығады. ДНҚ-ның фосфодиэстер тізбегі теріс зарядталған, бұл гистон ақуыздары мен ДНҚ арасындағы күшті иондық өзара әрекеттесуге мүмкіндік береді. Гистон ацетилтрансферазалары ацетил тобын гистонның лизин қалдықтарына қосып, олардың оң зарядын бейтараптайды, соның салдарынан гистон мен ДНҚ арасындағы күшті өзара әрекеттесуді азайтады. Сонымен қатар, кейбір гистондық модификациялар контекстке байланысты күшейтілген және басылған белсенділікпен байланысты. HAT-тар транскрипциялық коактиваторлар немесе гендерді үнсіздендірушілер ретінде әрекет етеді және көбінесе 10-дан 20-ға дейін кіші бірліктерден тұратын үлкен кешендерде кездеседі, олардың кейбіреулері әртүрлі HAT кешендері арасында ортақ болады.
Клиникалық маңызы
Хистон ацетилтрансферазаларының хроматин құрылымын өзгерту және эпигенетикалық негізді қалыптастыру қабілеті оларды жасушаның күтілуі мен тірі қалуы үшін маңызды етеді. Хроматин қайта құрылу процесіне HAT-тер де кіреді, олар нуклеосомалардың жаңаруына көмектеседі және ДНК зақымдануын жөндеу жүйелерінің жұмыс істеуі үшін қажет. HAT-тер аурудың прогрессиясына, әсіресе нейродегенеративті ауруларға қатысты. Мысалы, Хантингтон ауруы – моторлық дағдылар мен ақыл-ой қабілеттеріне әсер ететін ауру. Аурумен байланысты жалғыз белгілі мутация – хантингтин (htt) белгісінің N-терминалды аймағында. htt-нің HAT-термен тікелей өзара әрекеттесетіні және in vitro жағдайында p300/CBP және PCAF-тың каталитикалық белсенділігін басатыны хабарланды. Адамның ерте қартаю синдромы – Хатчинсон-Гилфорд прогериясы, ядролық матрица белгісі ламин А-ның өңделуіндегі мутациялық ақаудан туындайды. Бұл синдромның егеуқұйрық үлгісінде ДНК зақымдалған жерлерге жөндеу белоктарының қосылуы кешіктіріледі. Осы кешіктірілген жөндеу жауабының молекулалық механизмі гистон ацетилациясының кемістігімен байланысты. Атап айтқанда, гистон H4 лизин 16 қалдығында (H4K16) гипоацетилденеді, бұл гистон ацетилтрансферазасы Mof-тың ядролық матрицамен байланысының төмендеуіне байланысты. Зерттеулер көрсеткендей, PCAF немесе CBP жоқ тышқандарда нейродегенерацияның белгілері байқалады. Ацетилдену және деацетилдену арасындағы тепе-теңдіктің бұзылуы кейбір қатерлі ісіктердің пайда болуымен байланысты. Егер гистон ацетилтрансферазалары тежелсе, зақымдалған ДНК жөнделмей қалуы мүмкін, нәтижесінде жасуша өліміне алып келеді. Қатерлі жасушалар ішіндегі хроматин қайта құрылу процесін бақылау қатерлі ісік зерттеулері үшін жаңа дәрілік мақсат болуы мүмкін. Бұл ферменттерге қатерлі жасушалар ішіндегі шабуыл ДНК зақымдануының жоғары жиналуына байланысты апоптоздың күшеюіне әкелуі мүмкін. Гистон ацетилтрансферазаларының бір ингибиторы – гарцинол. Бұл қосылыс гарциния индика жемісінің қабығында, басқаша айтқанда мангстин жемісінде кездеседі. Гарцинолдың гистон ацетилтрансферазаларына тигізетін әсерін зерттеу үшін зерттеушілер HeLa жасушаларын қолданды. Жасушалар сәулелендірілді, нәтижесінде ДНК-да екі жіпті үзілімдер пайда болды, содан кейін гарцинол жасушаларға енгізілді, ДНК зақымдануына жауапты әсер ететінін анықтау үшін. Егер гарцинол гомолог емес ұштарды біріктіру процесін тежеуге қабілетті болса, онда ол радиосенсибилизатор ретінде әрекет ете алады, яғни жасушалардың сәулелену зақымдануына сезімталдығын арттыратын молекула. Радиосезімталдықтың жоғарылауы сәулелік терапияның тиімділігін арттыруы мүмкін.
HATs have also been associated with control of learning and memory functions. Studies have shown that mice without PCAF or CBP display evidence of neurodegeneration. The misregulation of the equilibrium between acetylation and deacetylation has also been associated with the manifestation of certain cancers. If histone acetyltransferases are inhibited, then damaged DNA may not be repaired, eventually leading to cell death. Controlling the chromatin remodeling process within cancer cells may provide a novel drug target for cancer research. Attacking these enzymes within cancer cells could lead to increased apoptosis due to high accumulation of DNA damage. One such inhibitor of histone acetyltransferases is called garcinol. This compound is found within the rinds of the garcinia indica fruit, otherwise known as mangosteen. To explore the effects of garcinol on histone acetyltransferases, researchers used HeLa cells. The cells underwent irradiation, creating double strand breaks within the DNA, and garcinol was introduced into the cells to see if it influenced the DNA damage response. If garcinol is successful at inhibiting the process of non homologous end joining, a DNA repair mechanism that shows preference in fixing double strand breaks, then it may serve as a radiosensitizer, a molecule that increases the sensitivity of cells to radiation damage. Increases in radiosensitivity may increase the effectiveness of radiotherapy.