Кіріспе
ДНҚ транскрипциясын реттеуде маңызды ферменттер класы. Гистон деацетилазалары (HDAC) – гистон және гистон емес белоктардағы ε N ацетил лизин аминқышқылынан ацетил топтарын (O=C CH3) алып тастайтын ферменттер класы. HDAC гистондардың ДНҚ-ны тығыз оралуына мүмкіндік береді. Бұл маңызды, себебі ДНҚ гистондармен оралған, ал ДНҚ экспрессиясы ацетилдену және деацетилдену арқылы реттеледі. HDAC-тың әрекеті гистон ацетилтрансферазасының әрекетіне қарама-қарсы. HDAC ақуыздары қазір лизин деацетилазалары (KDAC) деп аталады, бұл олардың мақсаты емес, функциясын сипаттау үшін жасалған, себебі олар гистон емес ақуыздарға да әсер етеді. Жалпы алғанда, олар гендердің экспрессиясын тежейді.
Histone deacetylases (, HDAC) are a class of enzymes that remove acetyl groups (O=C CH3) from an ε N acetyl lysine amino acid on both histone and non histone proteins. HDACs allow histones to wrap the DNA more tightly. This is important because DNA is wrapped around histones, and DNA expression is regulated by acetylation and de acetylation. HDAC's action is opposite to that of histone acetyltransferase. HDAC proteins are now also called lysine deacetylases (KDAC), to describe their function rather than their target, which also includes non histone proteins. In general, they suppress gene expression.
HDAC супер отбасы
Ацетилполиамин амидогидролазалары мен ацетоин пайдалану ақуыздарымен қатар, гистон деацетилазалары гистон деацетилазалары суперотбасы деп аталатын ежелгі ақуыз суперотбасын құрайды.
Ішкі түрлері
HDAC ақуыздары функциясы және ДНҚ тізбегінің ұқсастығына байланысты төрт классқа бөлінеді (жоғарыда қараңыз). I, II және IV класс ақуыздары трихостатин А (ТСА) әсерімен тежеліп, мырышқа тәуелді активті ортаға ие "классикалық" HDAC-тер саналады, ал III класс ақуыздары NAD+ тәуелді ақуыздар тобы – сиртуиндер болып табылады және ТСА-ға төзімді. Осы үш топтың гомологтары ашытқыда кездеседі: I классқа сәйкес келетін калийге тәуелділік 3 (Rpd3), II классқа сәйкес келетін гистон деацетилаза 1 (hda1) және III классқа сәйкес келетін үнсіз ақпаратты реттеуші 2 (Sir2). IV класс тек бір изоформадан тұрады (HDAC11), ол Rpd3 немесе hda1 ашытқы ферменттерімен айтарлықтай гомологты емес, сондықтан HDAC11 жеке классқа жатқызылады. III класс ақуыздары жеке фермент түрі болып есептеледі және олардың әрекет ету механизмі өзгеше; бұл ферменттер NAD+ тәуелді, ал басқа класс ақуыздары Zn2+ кофакторын қажет етеді.
Эволюция
HDAC-тер эволюция барысында сақталады, барлық эукариоттарда және тіпті археяларда гомологтары кездеседі. Барлық жоғары эукариоттарда, оның ішінде омыртқалы жануарлар, өсімдіктер және буынтық аяқтылар да, әрбір классқа кем дегенде бір HDAC бар. Көптеген омыртқалы жануарлар 11 канондық HDAC-ты қамтиды, бірақ сүйекті балықтарда HDAC2 жоқ, олар HDAC11-дің қосымша көшірмесіне ие, оны HDAC12 деп атаған. Өсімдіктер жануарларға қарағанда көбірек HDAC-ты алып жүреді, бұл олардың қозғалмайтын организмдерге қажетті күрделі транскрипциялық реттеуді жүзеге асыруымен байланысты. HDAC-тердің ацетил байланыстыру доменінен пайда болғандығы болжанып тұр, себебі HDAC гомологтары бактерияларда ацетоинді пайдаланушы ақуыздар (AcuC) түрінде табылды. HDAC6 – цитоплазмалық, микротубуламен байланысқан фермент. HDAC6 тубулин, Hsp90 және кортактинды деацетилдейді, басқа серіктес ақуыздармен кешендер құрайды және осылайша, түрлі биологиялық процестерге қатысады.
Гистон емес әсерлері
ГДАК-ты тек гистондар мен хроматин құрылымын өзгерту арқылы геннің транскрипциясын реттеу контекстінде қарастыру қателік, әйтсе де бұл басым функция болып көрінеді. Ақуыздың функциясы, белсенділігі және тұрақтылығы трансляциядан кейінгі модификациялар арқылы бақылана алады. Ақуызды фосфорилеу – бұл ең көп зерттелген және түсінілген модификация, онда кейбір аминқышқыл қалдықтары ақуыз киназаларының әрекетінен фосфорилендіріледі немесе фосфатазалардың әрекетінен дефосфорилендіріледі. Лизин қалдықтарының ацетилденуі ұқсас механизм ретінде пайда болып келеді, онда гистон емес ақуыздар ацетилазалар мен деацетилазалардың әрекетіне ұшырайды. Осыған байланысты ГДАК-тар гистон емес ақуыздармен өзара әрекеттесетіні анықталды – олардың кейбіреулері транскрипция факторлары және корегуляторлар, ал кейбіреулері жоқ. Төрт мысалға назар аударыңыз: HDAC6 агрессомалармен байланысты. Дұрыс бүгілмеген ақуыз агрегаттары убиквитинация арқылы белгіленеді және цитоплазмадан динеин моторлары арқылы микротубула желісі арқылы агрессома деп аталатын органеллаға шығарылады. HDAC6 полиубиквитинді дұрыс бүгілмеген ақуыздарға байланысады және динеин моторларына қосылады, осылайша дұрыс бүгілмеген ақуыз жүгін кейіннен жою үшін шаперондарға және протеасомаларға физикалық түрде тасымалдауға мүмкіндік береді. HDAC6 – HSP90 функциясының маңызды регуляторы және метаболикалық бұзылыстарды емдеуге арналған ингибиторы ретінде ұсынылған. PTEN – фосфоинозитолдар және AKT/PI3 киназа жолы арқылы жасушалық сигналдануға қатысатын маңызды фосфатаза. PTEN фосфорилендіру, убиквитинилендіру, тотығу және ацетилдендіру арқылы күрделі реттеуге жатады. PTEN-ді гистон ацетилтрансфераза p300/CBP-мен байланысты фактор (PCAF) ацетилдендіруі оның белсенділігін басуы мүмкін; керісінше, PTEN-ді SIRT1 деацетилдазасы және HDAC1 деацетилдендіруі оның белсенділігін күшейтуі мүмкін. APE1/Ref 1 (APEX1) – ДНК-ны жөндеу белсенділігіне (базалық және бір жіпті үзілістерде) және тотығу стресімен байланысты транскрипциялық реттеу белсенділігіне ие көпфункционалды ақуыз. APE1/Ref 1 PCAF арқылы ацетилденеді, ал керісінше, I класты HDAC-тармен тұрақты байланысады және деацетилдендіріледі. APE1/Ref 1 ацетилдену күйі оның ДНК-ны жөндеу белсенділігіне әсер етпейді, бірақ ол оның транскрипциялық белсенділігін реттейді, мысалы, PTH промоторына байланысу және паратиреоид гормоны генінің транскрипциясын бастау қабілеті сияқты. NF κB – жасушалық стресске жауап беруге қатысатын маңызды транскрипция факторы және эффекттік молекула, ол p50/p65 гетеродимерінен тұрады. P65 суббірлігі PCAF арқылы ацетилдендіріледі және HDAC3 және HDAC6 арқылы деацетилдендіріледі. Бұл ГДАК-тардың гистон емес, хроматин емес рөлдерінің үнемі пайда болатын кейбір мысалдары.
HDAC6 is associated with aggresomes. Misfolded protein aggregates are tagged by ubiquitination and removed from the cytoplasm by dynein motors via the microtubule network to an organelle termed the aggresome. HDAC 6 binds polyubiquitinated misfolded proteins and links to dynein motors, thereby allowing the misfolded protein cargo to be physically transported to chaperones and proteasomes for subsequent destruction. HDAC6 is important regulator of HSP90 function and its inhibitor proposed to treat metabolic disorders. PTEN is an important phosphatase involved in cell signaling via phosphoinositols and the AKT/PI3 kinase pathway. PTEN is subject to complex regulatory control via phosphorylation, ubiquitination, oxidation and acetylation. Acetylation of PTEN by the histone acetyltransferase p300/CBP associated factor (PCAF) can repress its activity; on the converse, deacetylation of PTEN by SIRT1 deacetylase and, by HDAC1, can stimulate its activity. APE1/Ref 1 (APEX1) is a multifunctional protein possessing both DNA repair activity (on abasic and single strand break sites) and transcriptional regulatory activity associated with oxidative stress. APE1/Ref 1 is acetylated by PCAF; on the converse, it is stably associated with and deacetylated by Class I HDACs. The acetylation state of APE1/Ref 1 does not appear to affect its DNA repair activity, but it does regulate its transcriptional activity such as its ability to bind to the PTH promoter and initiate transcription of the parathyroid hormone gene. NF κB is a key transcription factor and effector molecule involved in responses to cell stress, consisting of a p50/p65 heterodimer. The p65 subunit is controlled by acetylation via PCAF and by deacetylation via HDAC3 and HDAC6. These are just some examples of constantly emerging non histone, non chromatin roles for HDACs.
HDAC ингибиторлары
Гистон деацетилазасының ингибиторлары (ГДИ) психиатрия және неврологияда көңіл күйін тұрақтандырғыштар және эпилепсияға қарсы препараттар ретінде ұзақ уақыттан бері қолданылып келеді, мысалы, вальпроин қышқылы. Жақында ГДИ нейродегенеративті ауруларды жеңілдету немесе емдеу үшін зерттелуде. Сонымен қатар, соңғы жылдары ГДИ-ді қатерлі ісікке қарсы терапия үшін әзірлеуге күш салынуда. 2006 жылы FDA Вориностат (SAHA) препаратын терідегі Т-клеткалы лимфома (CTCL) ауруы бар, бұрынғы емдеулерден нәтиже алмаған пациенттерде терідегі көріністерді емдеу үшін мақұлдады. 2009 жылы CTCL ауруымен ауыратын пациенттерге арналған екінші ГДИ – Istodax (ромидепсин) мақұлданды. Бұл қосылыстардың әрекет ету механизмі толыққанды түсініксіз, бірақ эпигенетикалық жолдар ұсынылуда. Сонымен қатар, ВИЧ жұқтырған адамдардағы вирус латенттілігіне вальпроин қышқылының әсерін зерттеу үшін клиникалық сынақ жүргізілуде. Қазіргі уақытта ГДИ цитотоксикалық химиотерапия немесе сәулелік терапия үшін, немесе in vitro синергияға негізделген ДНК метилирлеу ингибиторларымен бірге химиосенсибилизатор ретінде зерттелуде. Жеке HDAC изоформаларының рөлін анықтауға көмектесетін изоформаға селективті ГДИ әзірленді. Кетон денелерінің β-гидроксибутираты егешқұйрықтарда гистон деацетилазасын тежеу арқылы FOXO3a гендерінің экспрессиясын арттырады. Гистон деацетилазасының ингибиторлары кейбір вирустардың латенттілігін модуляциялап, оларды қайта белсендіруі мүмкін. Бұл, мысалы, адамның 6-шы латентті герпес вирусының инфекциясында байқалады. Гистон деацетилазасының ингибиторлары плазмодиумның кейбір түрлері мен сатыларына қарсы белсенділік көрсетті, бұл олардың безгекке қарсы емдеуде әлеуеті бар екенін көрсетеді. ГДИ ацетилденген H3K9/H3K14 гистонын жинақтайды, бұл I класты HDAC-тардың төменгі ағынды мақсаты екені дәлелденді.