Введение

Ферменты, катализирующие перенос ацетильной группы из ацетил-КоА к гистонам.

Ацетилтрансферазы гистонов (ААГ) – это ферменты, которые ацетилируют консервативные аминокислоты лизина в белках гистонов путем переноса ацетильной группы из ацетил-КоА с образованием ε-N-ацетиллизина. ДНК обернута вокруг гистонов, и, перенося ацетильную группу к гистонам, можно включать и выключать гены. В целом, ацетилирование гистонов повышает экспрессию генов. Как правило, ацетилирование гистонов связано с транскрипционной активацией и эухроматином. Эухроматин, который менее плотно упакован, позволяет факторам транскрипции легче связываться с регуляторными участками ДНК, вызывая транскрипционную активацию. Первоначально считалось, что ацетилирование лизина нейтрализует положительный заряд, обычно присутствующий, тем самым снижая сродство между гистоном и (отрицательно заряженной) ДНК, что делает ДНК более доступной для факторов транскрипции. Однако последующие исследования показали, что ацетилирование лизина и другие посттрансляционные модификации гистонов создают сайты связывания для специфических доменов белок-белковых взаимодействий, таких как бромодомен, связывающий ацетиллизин. Ацетилтрансферазы гистонов также могут ацетилировать небелковые гистоны, такие как ядерные рецепторы и другие факторы транскрипции, для облегчения экспрессии генов.

Семейства HAT

Традиционно HAT разделяют на два различных класса в зависимости от их субклеточной локализации. Они содержат бромодомен, который помогает им распознавать и связываться с ацетилированными остатками лизина в гистонных субстратах. Gcn5, p300/CBP и TAFII250 – примеры HAT типа А, которые взаимодействуют с активаторами для усиления транскрипции. HAT типа B локализованы в цитоплазме и отвечают за ацетилирование новосинтезированных гистонов перед их сборкой в нуклеосомы. Эти HAT не содержат бромодомен, поскольку их мишени не ацетилированы. Ацетильные группы, добавленные HAT типа B к гистонам, удаляются HDAC, когда они попадают в ядро и включаются в хроматин. Hat1 – один из немногих известных примеров HAT типа B.

N-ацетилтрансферазы (GNAT), связанные с Gcn5

HAT можно сгруппировать в несколько различных семейств на основе гомологии последовательностей, а также общих структурных особенностей и функциональных ролей. Семейство N-ацетилтрансфераз (GNAT), связанных с Gcn5, включает Gcn5, PCAF, Hat1, Elp3, Hpa2, Hpa3, ATF2 и Nut1. Эти HAT обычно характеризуются наличием бромдомена и ацетилируют остатки лизина в гистонах H2B, H3 и H4. Tip60 (Tat-интерактивный белок, 60 кДа) был первым человеческим членом семейства MYST, проявившим HAT-активность. Sas3, обнаруженный у дрожжей, является гомологом MOZ (белка с цинковыми пальцами при моноцитарной лейкемии), который является онкогеном, обнаруженным у людей. Esa1 был первым необходимым HAT, обнаруженным у дрожжей, а MOF – его гомологом у плодовых мух. HAT-активность последнего необходима для двукратного увеличения транскрипции мужской Х-хромосомы (компенсация дозы) у мух. Человеческий HBO1 (HAT, связанный с ORC1) был первым HAT, показанным ассоциированным с компонентами комплекса инициации репликации. MORF (фактор, родственный MOZ) демонстрирует очень высокую гомологию с MOZ по всей длине и содержит несколько областей цинковых пальцев, бромдомен, каталитический (HAT) домен и области, взаимодействующие с другими факторами транскрипции, и необходим для функционирования p300/CBP в транскрипционной активации. Rtt109 – это HAT, специфичный для грибов, которому для активности требуется ассоциация с белками-шаперонами гистонов.

Коактиваторы ядерных рецепторов

Три важных коактиватора ядерных рецепторов, проявляющие активность HAT, – SRC 1, ACTR и TIF 2. Человеческий SRC 1 (коактиватор стероидных рецепторов 1) известен взаимодействием с p300/CBP и PCAF, а его HAT домен расположен в C-концевой области. ACTR (также известный как RAC3, AIB1 и TRAM 1 у человека) обладает значительной гомологией последовательности с SRC 1, особенно в N-концевой и C-концевой (HAT) областях, а также в доменах взаимодействия с рецепторами и коактиваторами. Члены семьи Организм Ассоциированные комплексы Специфичность к субстрату Структурные особенности GNAT Gcn5 S. cerevisiae SAGA, SLIK (SALSA), ADA, HAT A2 H2B, H3, (H4) Бромдомен GCN5 D. melanogaster SAGA, ATAC H3, H4 Бромдомен GCN5 H. sapiens STAGA, TFTC H3, (H4, H2B) Бромдомен PCAF H. sapiens PCAF H3, H4 Бромдомен Hat1 S. cerevisiae H. 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. cerevisiae H. sapiens H2B, H4 Nut1 S. cerevisiae Mediator H3, H4 MYST Esa1 S. cerevisiae NuA4, piccolo NuA4 H2A, H4, (H2B, H3) Хромодомен Sas2 S. cerevisiae SAS, NuA4 H4, (H2A, H3) Sas3 (Ybf2) S. cerevisiae NuA3 H3, (H4, H2A) Tip60 H. sapiens Tip60, NuA4 H2A, H4, (H3) Хромодомен MOF D. melanogaster MSL H4, (H2A, H3) Хромодомен 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 Бромдомен CBP H. sapiens H2A, H2B, H3, H4 Бромдомен SRC (коактиваторы ядерных рецепторов) 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 Другие TAFII250 (TAF1) S. cerevisiae H. sapiens TFIID H3, H4, (H2A) Бромдомен TFIIIC (p220, p110, p90) H. sapiens TFIIIC H2A, H3, H4 Rtt109 S. cerevisiae Хистонные шапероны H3 CLOCK H. sapiens H3, H4

Общая структура

В целом, HAT характеризуются структурно консервативной основной областью, состоящей из трехнитевого β-листа, за которым следует длинная α-спираль, параллельная ему и охватывающая одну его сторону. Первая стадия реакции включает образование ковалентного интермедиата, в котором остаток цистеина ацетилируется в результате нуклеофильной атаки этого остатка на карбонильный углерод ацетил-КоА. Затем остаток глутамата выступает в роли общего основания, способствуя переносу ацетильной группы с цистеина на гистоновый субстрат аналогично механизму, используемому GNAT. Когда Esa1 собирается в комплекс пикколо NuA4, он теряет зависимость от цистеинового остатка для катализа, что позволяет предположить, что реакция может протекать по механизму типа bi-bi, когда фермент входит в состав физиологически релевантного мультибелкового комплекса.

p300/семья CBP

В человеческом p300 Tyr1467 функционирует как общая кислота, а Trp1436 способствует ориентации целевого остатка лизина гистонового субстрата в активный центр.

Селективность лизина

Было показано, что различные HAT, как правило, в контексте мультисубъединичных комплексов, ацетилируют определенные остатки лизина в гистонах.

Семейство GNAT

Gcn5 не может ацетилировать нуклеосомные гистоны в отсутствие других белковых факторов. Также было обнаружено, что PCAF ацетилирует c MYC, GATA 2, ретинобластому (Rb), Ku70 и белок аденовируса E1A. Он также способен к аутоацетилированию, что облегчает внутримолекулярные взаимодействия с его бромодоменом, которые могут быть вовлечены в регуляцию его HAT-активности. Ацетилированию подвергаются также белок E1A аденовируса и S HDAg (малый дельта-антиген вируса гепатита дельты). Ацетилирование Rtt109 дрожжей в положении Lys290 также необходимо для проявления его полной каталитической активности. Некоторые HAT также ингибируются ацетилированием. Например, HAT-активность коактиватора ядерного рецептора ACTR ингибируется при ацетилировании p300/CBP. Хроматин в клетке существует в двух состояниях: конденсированном и неконденсированном. Последнее, известное как эвхроматин, транскрипционно активно, в то время как первое, известное как гетерохроматин, транскрипционно неактивно. Гистоны составляют белковую составляющую хроматина. Существует пять различных белков гистонов: H1, H2A, H2B, H3 и H4. Ядро гистона формируется, когда два экземпляра каждого подтипа гистона, за исключением H1, образуют четвертичный комплекс. Этот октамерный комплекс, в сочетании с 147 парами оснований ДНК, спирально закрученными вокруг него, формирует нуклеосому. Гистон H1 фиксирует нуклеосомный комплекс, являясь последним белком, связывающимся с комплексом. Гистоны, как правило, представляют собой положительно заряженные белки с N-концевыми хвостами, отходящими от ядра. Фосфодиэфирный остов ДНК имеет отрицательный заряд, что обеспечивает сильные ионные взаимодействия между белками гистонов и ДНК. Ацетилтрансферазы гистонов переносят ацетильную группу на специфические лизиновые остатки гистонов, что нейтрализует их положительный заряд и, следовательно, ослабляет сильное взаимодействие между гистоном и ДНК. Кроме того, некоторые модификации гистонов связаны как с усилением, так и с подавлением активности, в зависимости от контекста. HAT функционируют как транскрипционные коактиваторы или репрессоры генов и чаще всего встречаются в составе крупных комплексов, состоящих из 10–20 субъединиц, некоторые из которых общие для различных комплексов HAT.

Клиническое значение

Способность гистон ацетилтрансфераз манипулировать структурой хроматина и формировать эпигенетический каркас делает их необходимыми для поддержания и выживания клеток. Процесс ремоделирования хроматина включает в себя несколько ферментов, в том числе HAT, которые способствуют реформированию нуклеосом и необходимы для функционирования систем репарации ДНК. HAT были вовлечены в прогрессирование заболеваний, особенно нейродегенеративных расстройств. Например, болезнь Гентингтона – заболевание, поражающее двигательные и когнитивные функции. Единственная известная мутация, связанная с этим заболеванием, локализуется в N-концевом регионе белка гентингтина (htt). Сообщалось, что htt напрямую взаимодействует с HAT и подавляет каталитическую активность p300/CBP и PCAF in vitro. Синдром преждевременного старения – прогерия Гилфорда-Хатчинсона – вызван мутационным дефектом в процессинге ламина А, белка ядерной матрицы. В мышиной модели этого состояния наблюдается задержка рекрутирования репаративных белков к участкам повреждения ДНК. Молекулярный механизм, лежащий в основе этой замедленной реакции репарации, включает дефект ацетилирования гистонов. В частности, гистон H4 гипоацетилируется по остатку лизина 16 (H4K16), и этот дефект обусловлен снижением ассоциации гистон ацетилтрансферазы Mof с ядерной матрицей.

HAT также связаны с контролем функций обучения и памяти. Исследования показали, что мыши без PCAF или CBP демонстрируют признаки нейродегенерации. Нарушение регуляции равновесия между ацетилированием и деацетилированием также связано с развитием определенных видов рака. Если гистон ацетилтрансферазы ингибируются, поврежденная ДНК может не репарироваться, что в конечном итоге приводит к гибели клеток. Контроль процесса ремоделирования хроматина в раковых клетках может предоставить новую мишень для разработки лекарственных препаратов в онкологических исследованиях. Воздействие на эти ферменты в раковых клетках может привести к увеличению апоптоза из-за высокого накопления повреждений ДНК. Одним из таких ингибиторов гистон ацетилтрансфераз является гарцинол. Это соединение содержится в кожуре плодов Гарцинии индийской, также известной как мангостин. Для изучения влияния гарцинола на гистон ацетилтрансферазы исследователи использовали клетки HeLa. Клетки подвергли облучению, вызывая образование двухцепочечных разрывов в ДНК, и ввели в клетки гарцинол, чтобы оценить его влияние на ответ на повреждение ДНК. Если гарцинол успешно ингибирует процесс соединения негомологичных концов – механизм репарации ДНК, который предпочтителен при восстановлении двухцепочечных разрывов, – он может служить радиосенсибилизатором, молекулой, повышающей чувствительность клеток к радиационному повреждению. Увеличение радиочувствительности может повысить эффективность лучевой терапии.