Введение

Модификация гистонов путем добавления метильных групп
Гистонная метилизация – это процесс, при котором метильные группы переносятся на аминокислоты гистоновых белков, составляющих нуклеосомы, вокруг которых оборачивается двойная спираль ДНК, формируя хромосомы. Метилирование гистонов может как усиливать, так и подавлять транскрипцию генов, в зависимости от того, какие аминокислоты в гистонах метилируются и какое количество метильных групп присоединяется. События метилирования, ослабляющие химические взаимодействия между гистоновыми хвостами и ДНК, усиливают транскрипцию, поскольку они позволяют ДНК раскручиваться от нуклеосом, обеспечивая доступ белков факторов транскрипции и РНК-полимеразы к ДНК. Этот процесс критически важен для регуляции экспрессии генов, что позволяет различным клеткам экспрессировать разные гены.

Функция

Метилирование гистонов, как механизм модификации структуры хроматина, связано со стимуляцией нейронных путей, известных своей важной ролью в формировании долговременной памяти и обучении. Метилирование гистонов критически важно для практически всех фаз эмбрионального развития животных. На животных моделях было показано, что метилирование и другие механизмы эпигенетической регуляции связаны с процессами старения, нейродегенеративными заболеваниями и интеллектуальной недостаточностью. Нарушение регуляции H3K4, H3K27 и H4K20 связано с развитием рака. Метилирование некоторых остатков лизина (K) и аргинина (R) гистонов приводит к активации транскрипции. Примерами служат метилирование лизина 4 гистона 3 (H3K4me1) и остатков аргинина (R) на гистонах H3 и H4. Добавление метильных групп к гистонам гистон-метилтрансферазами может как активировать, так и усиливать репрессию транскрипции, в зависимости от метилируемой аминокислоты и присутствия других метильных или ацетильных групп поблизости. Чаще всего, в отношении метилирования лизина гистонов, гистон-метилтрансферазы (осуществляющие метилирование) характеризуются как "записывающие" факторы, а деметилазы – как "стирающие".

Механизм

Основная единица хроматина, называемая нуклеосомой, содержит ДНК, намотанную вокруг белкового октамера. Этот октамер состоит из двух копий каждого из четырех гистонных белков: H2A, H2B, H3 и H4. Каждый из этих белков имеет N-концевой хвост, и эти хвосты являются мишенями для модификации нуклеосом посредством метилирования. Активация или инактивация ДНК во многом зависит от конкретного метилированного аминокислотного остатка в хвосте и степени метилирования. Гистоны могут метилироваться только по остаткам лизина (K) и аргинина (R), но метилирование чаще всего наблюдается по остаткам лизина в N-концевых хвостах гистонов H3 и H4. Конец хвоста, наиболее удаленный от ядра нуклеосомы, является N-концевым (нумерация остатков начинается с этого конца). Распространенные участки метилирования, связанные с активацией генов, включают H3K4, H3K48 и H3K79. Распространенные участки, связанные с инактивацией генов, включают H3K9 и H3K27. Исследования этих участков показали, что метилирование гистонных хвостов в различных остатках служит маркерами для рекрутирования различных белков или белковых комплексов, регулирующих активацию или инактивацию хроматина. Лизин и аргинин содержат аминогруппы, которые придают им основные и гидрофобные свойства. Лизин может быть моно-, ди- или триметилирован, при этом каждая группа NH3+ теряет один атом водорода, заменяемый метильной группой. Аргинин, имея свободные группы NH2 и NH2+, может быть моно- или диметилирован. Диметилирование может происходить асимметрично по группе NH2 или симметрично, с одним метилированием на каждой группе. Каждое добавление метильной группы к каждому остатку требует специфического набора белковых ферментов с различными субстратами и кофакторами. Как правило, метилирование остатка аргинина требует комплекса, включающего протеин аргинин метилтрансферазу (PRMT), в то время как для метилирования лизина требуется специфическая гистон метилтрансфераза (HMT), обычно содержащая эволюционно консервативный домен SET. Различные степени метилирования остатков могут придавать различные функции, что демонстрируется на примере метилирования часто изучаемого остатка H4K20. Монометилированный H4K20 (H4K20me1) участвует в компактизации хроматина и, следовательно, в транскрипционной репрессии. Однако H4K20me2 играет важную роль в репарации поврежденной ДНК. В диметилированном состоянии остаток обеспечивает платформу для связывания белка 53BP1, участвующего в репарации двухцепочечных разрывов ДНК посредством негомологичного соединения концов. H4K20me3 обнаруживается в гетерохроматине, а снижение его триметилирования наблюдается при прогрессировании рака. Таким образом, H4K20me3 выполняет дополнительную роль в репрессии хроматина.

Гистонметилтрансфераза

Геном плотно конденсирован в хроматин, который необходимо разрыхлить для осуществления транскрипции. Чтобы остановить транскрипцию гена, ДНК должна быть скручена плотнее. Это достигается путем модификации гистонов в определенных участках посредством метилирования. Гистонметилтрансферазы – это ферменты, которые переносят метильные группы из S-аденозилметионина (SAM) на лизиновые или аргининовые остатки гистонов H3 и H4. Известны случаи метилирования и основных глобулярных доменов гистонов. Гистонметилтрансферазы специфичны либо к лизину, либо к аргинину. Лизин-специфические трансферазы, в свою очередь, подразделяются на содержащие SET-домен и не содержащие SET-домен. Эти домены определяют механизм катализа ферментом переноса метильной группы из SAM к белку-переносчику и далее к остатку гистона. Метилтрансферазы могут присоединять от одного до трех метилов к целевым остаткам. Эти метильные группы, добавляемые к гистонам, регулируют транскрипцию, блокируя или облегчая доступ ДНК к транскрипционным факторам. Таким образом, целостность генома и эпигенетическое наследование генов находятся под контролем действия гистонметилтрансфераз. Метилирование гистонов играет ключевую роль в определении целостности генома и экспрессируемых клетками генов, тем самым определяя клеточную идентичность. Метилированные гистоны могут как подавлять, так и активировать транскрипцию.

Эпигенетика

Изменения, происходящие в структуре гистонов, влияют на экспрессию генов в клетке, особенно при добавлении метильных групп к остаткам гистонов гистон-метилтрансферазами. Метилирование гистонов играет важную роль в формировании гетерохроматина и поддержании границ генов между транскрибируемыми и нетранскрибируемыми участками. Эти изменения наследуются потомством и могут зависеть от условий окружающей среды, в которых находятся клетки. Эпигенетические изменения обратимы, что делает их потенциальными мишенями для терапии. Активность гистон-метилтрансфераз уравновешивается активностью гистон-деметилаз, что позволяет включать и выключать транскрипцию, обращая существующие модификации. Важно строго регулировать активность как гистон-метилтрансфераз, так и гистон-деметилаз. Нарушение регуляции любой из них может привести к аномальной экспрессии генов и повысить восприимчивость к заболеваниям. Многие виды рака возникают из-за неадекватных эпигенетических эффектов, вызванных нарушенным метилированием. Однако, учитывая обратимость этих процессов, существует интерес к использованию их активности в сочетании с противораковыми методами лечения. Неактивная Х-хромосома (Xi) упакована в чрезвычайно плотную форму хроматина, называемую гетерохроматином. Эта упаковка происходит из-за метилирования различных остатков лизина, участвующих в формировании гистонов. У человека инактивация Х-хромосомы – случайный процесс, опосредованный некодирующей РНК XIST. Хотя метилирование лизинных остатков происходит на различных гистонах, наиболее характерным для Xi является метилирование девятого лизина третьего гистона (H3K9). Одиночное метилирование этого участка позволяет связанным генам оставаться транскрипционно активными, в то время как в гетерохроматине этот лизин часто метилируется два или три раза, образуя H3K9me2 или H3K9me3 соответственно, чтобы обеспечить инактивацию связанной ДНК. Более поздние исследования показали, что H3K27me3 и H4K20me1 также часто встречаются в ранних эмбрионах. Другие метильные метки, связанные с транскрипционно активными областями ДНК, H3K4me2 и H3K4me3, отсутствуют на Xi-хромосоме, наряду со многими ацетильными метками. Хотя известно, что некоторые метки метилирования гистонов Xi относительно постоянны у разных видов, недавно было обнаружено, что различные организмы и даже разные клетки в пределах одного организма могут иметь различные метки, связанные с инактивацией Х-хромосомы. Метилирование гистонов обеспечивает генетическое импринтирование, гарантируя, что один и тот же аллель Х-хромосомы остается инактивированным в ходе репликации хромосом и клеточного деления.

Мутации

Из-за того, что метилирование гистонов регулирует значительную часть транскрипции генов, даже незначительные изменения в паттернах метилирования могут иметь серьезные последствия для организма. Мутации, приводящие к увеличению или уменьшению метилирования, оказывают существенное влияние на регуляцию генов, а мутации в ферментах, таких как метилтрансфераза и деметилтрансфераза, могут полностью изменить набор белков, транскрибируемых в данной клетке. Чрезмерное метилирование хромосомы может приводить к инактивации генов, необходимых для нормальной клеточной функции. В определенном штамме дрожжей Saccharomyces cerevisiae мутация, вызывающая метилирование трех лизиновых остатков на третьем гистоне – H3K4, H3K36 и H3K79 – вызывает задержку митотического клеточного цикла, поскольку многие гены, необходимые для его прогрессии, инактивируются. Эта крайняя мутация приводит к гибели организма. Было обнаружено, что делеция генов, кодирующих гистонметилтрансферазы, позволяет организму выживать, поскольку его лизиновые остатки остаются неметилированными. В последние годы исследователи обратили внимание на то, что многие типы рака в значительной степени обусловлены эпигенетическими факторами. Рак может возникать различными путями из-за дифференциального метилирования гистонов. С момента открытия онкогенов и генов-супрессоров опухолей известно, что важный фактор в развитии и подавлении рака находится в нашем собственном геноме. Если области вокруг онкогенов становятся неметилированными, эти гены, вызывающие рак, могут транскрибироваться с высокой скоростью. Обратная ситуация – метилирование генов-супрессоров опухолей. В случаях, когда области вокруг этих генов сильно метилированы, ген-супрессор опухоли не активен, и вероятность развития рака возрастает. Эти изменения в паттернах метилирования часто связаны с мутациями в генах метилтрансфераз и деметилтрансфераз. Другие типы мутаций в белках, таких как изоцитратдегидрогеназа 1 (IDH1) и изоцитратдегидрогеназа 2 (IDH2), могут приводить к инактивации гистоновых деметилтрансфераз, что, в свою очередь, может вызывать различные виды рака, глиомы и лейкемии, в зависимости от того, в каких клетках происходит мутация.

Одноуглеродный метаболизм изменяет метилирование гистонов

В одном из метаболических путей, связанных с углеродом, аминокислоты глицин и серин преобразуются через циклы фолиевой кислоты и метионина в предшественники нуклеотидов и SAM. Множество питательных веществ поддерживают этот метаболический путь, включая глюкозу, серин, глицин и треонин. Высокие уровни метильного донора SAM влияют на метилирование гистонов, что может объяснить, как высокие уровни SAM предотвращают злокачественное превращение.