Введение
Класс ферментов, важных для регуляции транскрипции ДНК.
Гистоновые деацетилазы (HDAC) – это класс ферментов, которые удаляют ацетильные группы (O=C CH3) из ε-N-ацетилизина в аминокислотном остатке как гистоновых, так и негистоновых белков. HDAC способствуют более плотному скручиванию ДНК вокруг гистонов. Это важно, поскольку ДНК обернута вокруг гистонов, а экспрессия ДНК регулируется ацетилированием и деацетилированием. Действие HDAC противоположно действию гистонацетилтрансферазы. Белки HDAC также теперь называют лизин-деацетилазами (KDAC), чтобы более точно отражать их функцию, а не только их мишень, которая включает также и негистоновые белки. В целом, они подавляют экспрессию генов.
Суперсемейство HDAC
Вместе с ацетилполиаминовыми амидогидролазами и белками, участвующими в утилизации ацетоина, гистондеацетилазы формируют древнее белковое суперсемейство, известное как суперсемейство гистондеацетилаз.
Подтипы
Белки HDAC группируются в четыре класса (см. выше) на основе функции и сходства последовательностей ДНК. Классы I, II и IV считаются «классическими» HDAC, активность которых ингибируется трихостатином А (TSA) и которые имеют активный центр, зависящий от цинка, в то время как ферменты класса III представляют собой семейство NAD+-зависимых белков, известных как сиртуины, и не подвержены ингибированию TSA. Гомологи этих трех групп обнаружены у дрожжей под названиями: reduced potassium dependency 3 (Rpd3), соответствующий классу I; histone deacetylase 1 (hda1), соответствующий классу II; и silent information regulator 2 (Sir2), соответствующий классу III. Класс IV содержит только одну изоформу (HDAC11), которая не обладает высокой гомологией ни с дрожжевыми ферментами Rpd3, ни с hda1, и поэтому HDAC11 отнесен к собственному классу. Ферменты класса III рассматриваются как отдельный тип ферментов с отличным механизмом действия; эти ферменты NAD+-зависимы, в то время как HDAC других классов требуют Zn2+ в качестве кофактора.
Эволюция
HDAC сохраняются в ходе эволюции, имея ортологи у всех эукариот и даже у архей. Все высшие эукариоты, включая позвоночных, растения и членистоногих, обладают как минимум одним HDAC в каждом классе, в то время как большинство позвоночных несут 11 канонических HDAC, за исключением костистых рыб, у которых отсутствует HDAC2, но, по-видимому, имеется дополнительная копия HDAC11, обозначенная как HDAC12. Растения содержат больше HDAC по сравнению с животными, предположительно для осуществления более сложной регуляции транскрипции, необходимой этим неподвижным организмам. HDAC, по всей видимости, произошли от общего предка – ацетилсвязывающего домена, поскольку гомологи HDAC были обнаружены у бактерий в виде белков, участвующих в утилизации ацетоина (AcuC). HDAC6 – это цитоплазматический фермент, связанный с микротрубочками. HDAC6 деацетилирует тубулин, Hsp90 и кортактин, образует комплексы с другими белками-партнерами и, следовательно, участвует в разнообразных биологических процессах.
Негистоновые эффекты
Ошибочно рассматривать HDAC исключительно в контексте регулирования транскрипции генов посредством модификации структуры гистонов и хроматина, хотя, по-видимому, это их преобладающая функция. Функция, активность и стабильность белков могут контролироваться посттрансляционными модификациями. Фосфорилирование белков, пожалуй, является наиболее широко изученной и понятной модификацией, при которой определенные аминокислотные остатки фосфорилируются под действием белковых киназ или дефосфорилируются под действием фосфатаз. Ацетилирование лизиновых остатков представляется аналогичным механизмом, в котором ацетилазы и деацетилазы действуют на негистонные белки. Именно в этом контексте HDAC обнаруживаются взаимодействующими с различными негистонными белками — некоторые из них являются факторами транскрипции и корегуляторами, а некоторые — нет. Обратите внимание на следующие четыре примера: HDAC6 ассоциирован с агрессомами. Неправильно свернутые белковые агрегаты маркируются убиквитинированием и удаляются из цитоплазмы динеиновыми двигателями через сеть микротрубочек в органеллу, называемую агрессомой. HDAC6 связывает полиубиквитинированные неправильно свернутые белки и взаимодействует с динеиновыми двигателями, тем самым обеспечивая физическую транспортировку неправильно свернутого белкового груза к шаперонам и протеасомам для последующего разрушения. HDAC6 является важным регулятором функции HSP90, и его ингибитор предлагается для лечения метаболических расстройств. PTEN — важная фосфатаза, участвующая в клеточной сигнализации через фосфоинозитолы и путь AKT/PI3-киназы. PTEN подвергается сложному регуляторному контролю посредством фосфорилирования, убиквитинирования, окисления и ацетилирования. Ацетилирование PTEN гистоновой ацетилтрансферазой p300/CBP-ассоциированным фактором (PCAF) может подавлять его активность, тогда как деацетилирование PTEN SIRT1 деацетилазой и HDAC1 может стимулировать ее. APE1/Ref 1 (APEX1) — многофункциональный белок, обладающий как активностью восстановления ДНК (на участках с отсутствующим основанием и одноцепочечными разрывами), так и регуляторной активностью транскрипции, связанной с окислительным стрессом. APE1/Ref 1 ацетилируется PCAF, тогда как он стабильно ассоциирован и деацетилируется HDAC класса I. Ацетилированное состояние APE1/Ref 1, по-видимому, не влияет на его активность по восстановлению ДНК, но регулирует его транскрипционную активность, например, его способность связываться с промотором PTH и инициировать транскрипцию гена паратиреоидного гормона. NF κB — ключевой фактор транскрипции и эффекторная молекула, участвующая в ответах на клеточный стресс, состоящая из гетеродимера p50/p65. Субъединица p65 контролируется ацетилированием посредством PCAF и деацетилированием посредством HDAC3 и HDAC6. Это лишь некоторые примеры постоянно появляющихся негистонных, нехроматиновых ролей HDAC.
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.
Ингибиторы HDAC
Ингибиторы гистоновой дезацетилазы (ИГД) имеют долгую историю применения в психиатрии и неврологии в качестве стабилизаторов настроения и противоэпилептических средств, например, вальпроевой кислоты. В последнее время ИГД изучаются как средства для смягчения симптомов или лечения нейродегенеративных заболеваний. Также в последние годы прилагаются усилия по разработке ИГД для терапии рака. В 2006 году FDA одобрило вориностат (SAHA) для лечения кожных проявлений у пациентов с кожным Т-клеточным лимфомом (CTCL), не ответивших на предшествующее лечение. Второй ИГД, Истодакс (ромидепсин), был одобрен в 2009 году для пациентов с КТКЛ. Точные механизмы действия этих соединений остаются неясными, однако предполагается участие эпигенетических путей. Кроме того, в клиническом исследовании изучается влияние вальпроевой кислоты на латентные резервуары ВИЧ у инфицированных людей. В настоящее время ИГД исследуются в качестве химиосенсибилизаторов для цитотоксической химиотерапии или лучевой терапии, а также в сочетании с ингибиторами метилирования ДНК на основе синергии, выявленной в исследованиях in vitro. Разработаны ИГД, селективные к отдельным изоформам, что позволяет лучше понять роль каждой изоформы HDAC. Показано, что у мышей кетоновое тело β-гидроксибутират повышает экспрессию гена FOXO3a за счет ингибирования гистоновой дезацетилазы. Ингибиторы гистоновой дезацетилазы могут модулировать латентность некоторых вирусов, вызывая их реактивацию. Это наблюдалось, например, при латентной инфекции человека вирусом герпеса 6 типа. Ингибиторы гистоновой дезацетилазы продемонстрировали активность против определенных видов и стадий Plasmodium, что может указывать на их потенциал в лечении малярии. Установлено, что ИГД приводят к накоплению ацетилированных гистонов H3K9/H3K14 – нижестоящей мишени HDAC класса I.