Белки HMGN: структура, функции и роль в репарации ДНК

Введение

Группа белков HMGN (High Mobility Group Nucleosome binding) – это представители более широкого класса хромосомных белков группы высокой подвижности (HMG), участвующих в регуляции транскрипции, репликации, рекомбинации и восстановления ДНК. HMGN1 и HMGN2 (первоначально обозначенные как HMG 14 и HMG 17 соответственно) были открыты исследовательской группой Э. В. Джонса в начале 1970-х годов. HMGN3, HMGN4 и HMGN5 были обнаружены позднее и встречаются реже. HMGN – это белки, связывающиеся с нуклеосомами, которые способствуют транскрипции, репликации, рекомбинации и восстановлению ДНК. Они также могут изменять эпигенетический ландшафт хроматина, помогая стабилизировать клеточную идентичность. О структуре и функциях этих белков известно пока относительно немного. HMGN представляют собой длинные цепи аминокислот, содержащие около 100 аминокислот для HMGN1-4 и примерно 200 – для HMGN5. Исследование на мышах с нокаутом генов показало влияние белков HMGN на организм в целом. В результате у мышей с пониженным уровнем HMGN(2) наблюдалась повышенная чувствительность к ультрафиолетовому излучению, что указывает на возможную роль HMGN в восстановлении УФ-повреждений. Аналогичное увеличение чувствительности наблюдалось у мышей, подвергшихся воздействию гамма-излучения, однако, поскольку клеточные процессы восстановления ДНК в этих двух случаях существенно различаются, вопрос о том, способствуют ли белки HMGN восстановлению ДНК *in vivo*, остается открытым. HMGN1 и HMGN2 не ко-локализуют в живых клетках. Белки HMGN входят в состав более широкой группы белков, известных как хромосомные белки группы высокой подвижности (HMG). Эта большая группа получила свое название благодаря высокой электрофоретической подвижности в полиакриламидных гелях и подразделяется на 3 различные, но связанные группы, одной из которых являются белки HMGN. Семейство HMGN можно далее разделить на отдельные белки: HMGN1, HMGN2, HMGN3, HMGN4 и HMGN5. Общий размер белков варьируется в зависимости от конкретного белка, но в среднем HMGN1-4 содержат 100 аминокислот. Данные ЯМР свидетельствуют о том, что снижение компактизации происходит при взаимодействии белков с основными элементами, ответственными за компактизацию хроматина.

Group of proteins
HMGN (High Mobility Group Nucleosome binding) proteins are members of the broader class of high mobility group (HMG) chromosomal proteins that are involved in regulation of transcription, replication, recombination, and DNA repair. HMGN1 and HMGN2 (initially designated HMG 14 and HMG 17 respectively) were discovered by E. W. Johns research group in the early 1970s. HMGN3, HMGN4, and HMGN5 were discovered later and are less abundant. HMGNs are nucleosome binding proteins that help in transcription, replication, recombination, and DNA repair. They can also alter the chromatin epigenetic landscape, helping to stabilize cell identity. There is still relatively little known about their structure and function. HMGNs come in long chains of amino acids, containing around 100 for HMGN1 4, and roughly 200 in HMGN5. A study was done with knockout mice to see the effect if any that HMGN proteins play on a full organism level. This resulted in the mice showing increasing sensitivity to UV radiation when having less than normal levels of HMGN(2). This would indicate that HMGN might facilitate repair of UV damage. The same increase in sensitivity was observed in mice when exposed to gamma radiation, however the cellular processes that repair DNA in either case are drastically different, leading to an inconclusive state whether HMGN proteins facilitate DNA repair in vivo. HMGN1 and HMGN2 do not co localize within living cells.]] HMGN proteins are part of broader group of proteins referred to as High Mobility group chromosomal (HMG) proteins. This larger group was named this for their high electrophoretic mobility in polyacrylamide gels and is differentiated into 3 distinct but related groups, one of them being HMGN proteins. HMGN family can be further divided into specific proteins, these being HMGN1, HMGN2, HMGN3, HMGN4, and HMGN5. The overall sizes of the proteins vary to each specific one, but HMGN1 4 average 100 amino acids. NMR evidence shows that reducing compaction occurs when the proteins targets the main elements that are responsible for the compactions of the chromatin.

HMGN 4

Обнаружение HMGN4 было осуществлено GenBank в ходе поиска по базе данных, где он был идентифицирован как "новый транскрипт, подобный HMGN2", что указывает на тесную связь HMGN4 с HMGN2.

H1 конкуренция и ремоделирование хроматина

Нуклеосомы служат белковым ядром (состоящим из 8 гистонов), вокруг которого наматывается ДНК, функционируя как основа для более крупных и конденсированных хроматиновых структур хромосом. Белки HMGN конкурируют с гистоном H1 (линкерный гистон, не входящий в состав ядра нуклеосомы) за сайты связывания с нуклеосомами. После занятия сайта один белок не может вытеснить другой. Однако оба белка не прочно связаны с нуклеосомами и могут быть удалены посредством посттранскрипционных модификаций. В случае белков HMGN, протеинкиназа C (PKC) может фосфорилировать сериновые аминокислоты в домене связывания с нуклеосомами, присутствующем во всех вариантах HMGN. Это придает HMGN подвижный характер, поскольку они способны постоянно связываться и диссоциировать от нуклеосом в зависимости от внутриклеточной среды и сигнальных путей. Активная конкуренция между HMGN и H1 играет активную роль в ремоделировании хроматина и, как следствие, влияет на клеточный цикл и клеточную дифференциацию, где компактизация и декомпактизация хроматина определяют экспрессию определенных генов. Ацетилирование гистонов обычно связано с открытым хроматином, а метилирование гистонов – с закрытым хроматином. С помощью ChIP-секвенирования можно изучать ДНК, ассоциированную с белками, чтобы определить, какие модификации гистонов присутствуют при связывании нуклеосом с H1 или HMGN. С использованием этого метода было обнаружено, что присутствие H1 коррелирует с высокими уровнями H3K27me3 и H3K4me3, что указывает на сильное метилирование гистона H3 и, следовательно, на закрытую структуру хроматина. Также было обнаружено, что присутствие HMGN коррелирует с высокими уровнями H3K27ac и H3K4me1, что, наоборот, указывает на значительное снижение метилирования гистона H3 и, следовательно, на открытую структуру хроматина. Экспрессия HMGN1 повышена на ранних стадиях развития глаза в клетках-предшественниках, но снижается в новообразованных и дифференцированных клетках, таких как клетки волокон хрусталика. В отличие от этого, HMGN2 остается повышенным как в эмбриональных, так и во взрослых клетках глаза. Было обнаружено, что HMGN3 особенно сильно экспрессируется через 2 недели (для взрослой мыши) во внутренних ядерных и ганглиозных клетках. Это демонстрирует неравномерное распределение HMGN в клетках-предшественниках и взрослых клетках.

Nucleosomes serve as the protein core (made from 8 histones) for DNA to wrap around, functioning as a foundation for the larger and more condensed chromatin structures of chromosomes. HMGN proteins compete with Histone H1 (linker histone not part of the core nucleosome) for nucleosome binding sites. Once occupied one protein cannot displace the other. However both proteins are not permanently associated to the nucleosomes and can be removed via post transcriptional modifications. In the case of HMGN proteins, Protein kinase C (PKC) can phosphorylate the serine amino acids in the nucleosome binding domain present in all HMGN variants. This gives HMGNs a mobile character as they are continuously able to bind and unbind to nucleosomes depending on the intracellular environment and signaling. Active competition between HMGNs and H1 serve an active role in chromatin remodeling and as result play a role in the cell cycle and cellular differentiation where chromatin compaction and de compaction determine if certain genes are expressed or not. Histone acetylation is usually associated with open chromatin, and histone methylation is usually associated with closed chromatin. With use of ChIP sequencing it is possible to study DNA paired with proteins to determine what kind of histone modifications are present when the nucleosomes are bound to either H1 or HMGNs. Using this method it was found that H1 presence corresponded to high levels of H3K27me3 and H3K4me3, which means that the H3 histone is heavily methylated suggesting that the chromatin structure is closed. It was also found that HMGN presence corresponded to high levels of H3K27ac and H3K4me1, conversely meaning that the H3 histone methylation is greatly reduced suggesting the chromatin structure is open. HMGN1 expression is elevated during initial stages of eye development in progenitor cells, but is decreased in newly formed and fated cells, such as lens fiber cells. HMGN2 in contrast stays elevated in both embryonic and adult eye cells. HMGN3 was found to be especially elevated at 2 weeks (for an adult mouse) in the inner nuclear and ganglion cells. This shows there is an uneven distribution of HMGNs in pre fated and adult cells.

Развитие мозга / ЦНС

В развитии мозга человека было показано, что HMGN являются критически важным компонентом нейронной дифференцировки и их уровень повышен в нейронных стволовых клетках (нейронных клетках-предшественниках). Например, в исследовании с подавлением экспрессии, потеря HMGN1,2&3 привела к уменьшению популяции клеток астроцитов и увеличению популяции нейронных клеток-предшественников. HMGN играют важную роль в дифференцировке олигодендроцитов, поскольку при нокауте HMGN1&2 популяция олигодендроцитов в ткани спинного мозга снижалась на 65%. Однако, из-за функциональной компенсации, этот эффект не наблюдается при нокауте только HMGN1 или HMGN2. Это наблюдение не может быть просто совпадением. Анализ ChIP-seq показал, что моделирование хроматина в генах OLIG1&2 (факторы транскрипции, участвующие в дифференцировке олигодендроцитов) находится в открытой конформации и содержит HMGN, связанные с нуклеосомами. Можно предположить, что такая избыточность фактически выгодна, поскольку присутствие хотя бы одного варианта HMGN значительно улучшает дифференцировку и развитие тканей. Эти результаты суммированы на рисунке справа.