Гистон-модифицирующие ферменты — это ферменты , участвующие в модификации гистоновых субстратов после трансляции белков и влияющие на клеточные процессы, включая экспрессию генов . [1] [2] Для безопасного хранения эукариотического генома ДНК оборачивается вокруг четырех основных гистоновых белков (H3, H4, H2A, H2B), которые затем соединяются, образуя нуклеосомы . Эти нуклеосомы далее складываются в высококонденсированный хроматин , что делает генетический материал организма гораздо менее доступным для факторов, необходимых для транскрипции генов , репликации ДНК , рекомбинации и репарации . [3] [4] Впоследствии эукариотические организмы разработали сложные механизмы для преодоления этого репрессивного барьера, налагаемого хроматином, посредством модификации гистонов , типа посттрансляционной модификации , которая обычно включает ковалентное присоединение определенных групп к остаткам гистонов. После добавления к гистону эти группы (прямо или косвенно) вызывают либо свободную и открытую конформацию гистона, эухроматин , либо плотную и закрытую конформацию гистона, гетерохроматин . Эухроматин отмечает активную транскрипцию и экспрессию генов , поскольку легкая упаковка гистонов таким образом позволяет проникать белкам, участвующим в процессе транскрипции. Таким образом, плотно упакованный гетерохроматин отмечает отсутствие текущей экспрессии генов. [4]
Хотя существует несколько различных посттрансляционных модификаций гистонов , четыре наиболее распространенных модификации гистонов включают ацетилирование , [5] метилирование , [6] фосфорилирование [7] и убиквитинирование . [8] Ферменты, модифицирующие гистоны, которые вызывают модификацию (например, добавляют функциональную группу ), называются писателями, в то время как ферменты, которые отменяют модификации, называются ластиками. Кроме того, существует множество необычных модификаций гистонов, включая O -GlcNAcylation , [9] сумоилирование , [10] АДФ-рибозилирование , [11] цитруллинирование [12] [13] [14] и изомеризацию пролина . [15] Подробный пример модификаций гистонов в регуляции транскрипции см. в разделе Контроль РНК-полимеразы структурой хроматина и в таблице « Примеры модификаций гистонов в регуляции транскрипции ».
Четыре общие модификации гистонов и соответствующие им ферменты-писатели и стиратели показаны в таблице ниже. [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]
Модификация | Автор(ы) | Ластик(и) | Воздействие на ДНК |
---|---|---|---|
Ацетилирование | Гистонацетилтрансферазы (HAT) | Гистондеацетилазы (HDAC) | Увеличивает транскрипцию генов |
Метилирование | Гистонметилтрансферазы (ГМТ) | Гистондеметилазы (KDM ) | Увеличивает или уменьшает транскрипцию генов |
Фосфорилирование | Протеинкиназы (PTK) | Протеиновые фосфатазы (ПП) | Увеличивает транскрипцию генов и играет роль в восстановлении ДНК и делении клеток |
Убиквитинирование | Убиквитинлигазы | Деубиквитинирующие ферменты (DUB) | Увеличивает или уменьшает транскрипцию генов и играет роль в восстановлении ДНК |
Ацетилирование гистонов , или добавление ацетильной группы к гистонам, облегчается гистонацетилтрансферазами (HAT), которые нацелены на остатки лизина (K) на N-концевом хвосте гистона. Гистондеацетилазы (HDAC) облегчают удаление таких групп. Положительный заряд на гистоне всегда нейтрализуется при ацетилировании, создавая эухроматин , который увеличивает транскрипцию и экспрессию целевого гена. [16] Остатки лизина 9, 14, 18 и 23 основного гистона H3 и остатки 5, 8, 12 и 16 H4 нацелены на ацетилирование. [17] [18]
Метилирование гистонов включает добавление метильных групп к гистонам, в первую очередь на остатках лизина (K) или аргинина (R) . Добавление и удаление метильных групп осуществляется гистонметилтрансферазами (HMT) и гистондеметилазами (KDM) соответственно. Метилирование гистонов отвечает либо за активацию, либо за репрессию генов, в зависимости от целевого участка, и играет важную роль в развитии и обучении. [19]
Фосфорилирование гистонов происходит, когда к гистону добавляется фосфорильная группа . Протеинкиназы (PTK) катализируют фосфорилирование гистонов, а протеинфосфатазы (PP) катализируют дефосфорилирование гистонов. Подобно ацетилированию гистонов, фосфорилирование гистонов нейтрализует положительный заряд на гистонах, что индуцирует эухроматин и увеличивает экспрессию генов. [ необходима цитата ] Фосфорилирование гистонов происходит на аминокислотных остатках серина (S) , треонина (T) и тирозина (Y) в основном в N-концевых хвостах гистонов. [27]
Кроме того, было обнаружено, что фосфорилирование гистонов играет роль в восстановлении ДНК и конденсации хроматина во время деления клеток . [22] Одним из таких примеров является фосфорилирование S139 на гистонах H2AX , которое необходимо для восстановления двухцепочечных разрывов в ДНК. [22]
Убиквитинирование — это посттрансляционная модификация, включающая добавление белков убиквитина к целевым белкам. Гистоны часто убиквитинируются одной молекулой убиквитина (моноубиквитинирование), но также могут быть модифицированы цепями убиквитина (полиубиквитинирование), оба из которых могут иметь различные эффекты на транскрипцию генов. [23] Убиквитинлигазы добавляют эти белки убиквитина, в то время как деубиквитинирующие ферменты (DUB) удаляют эти группы. [24] Убиквитинирование основного гистона H2A обычно подавляет экспрессию гена, поскольку оно предотвращает метилирование в H3K4, в то время как убиквитинирование H2B необходимо для метилирования H3K4 и может привести как к активации гена, так и к его подавлению. [ необходима цитата ] Кроме того, убиквитинирование гистонов связано с поддержанием генома, поскольку убиквитинирование гистона H2AX участвует в распознавании повреждений ДНК при двухцепочечных разрывах ДНК . [26]
Дополнительные редкие модификации гистонов и их эффекты перечислены в таблице ниже. [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41]
Модификация | Автор(ы) | Ластик(и) | Воздействие на ДНК |
---|---|---|---|
О-ГлкНАцилирование | O-GlcNAc трансфераза (OGT) | O-GlcNAcase (OGA) | Увеличивает или уменьшает транскрипцию посредством дополнительных модификаций гистонов |
Сумоилирование | Лигазы E3 SUMO | SUMO-специфические протеазы | Увеличивает или уменьшает транскрипцию и играет роль в восстановлении ДНК |
АДФ-рибозилирование | Поли-АДФ рибозополимераза 1 (PARP-1) | (Адп-рибозил)гидролазы ARH1 и ARH3 | Снижает транскрипцию при маркировке определенных участков ДНК для восстановления |
Цитруллинирование | Белок аргининдеиминаза 4 (PAD4) | Нет известного ластика | Уменьшает транскрипцию путем удаления участков метилирования |
Изомеризация пролина | Фпр4 | Фпр4 | Увеличивает или уменьшает транскрипцию посредством переключения между изомерами H3P38 (транс и цис соответственно) |
Известно, что присутствие O-GlcNAcylation (O-GlcNAc) на остатках гистонов серина (S) и треонина (T) опосредует другие посттранскрипционные модификации гистонов. Добавление и удаление групп GlcNAc выполняется O-GlcNAc трансферазой (OGT) и O-GlcNAcase (OGA) соответственно. Хотя наше понимание этих процессов ограничено, было обнаружено, что GlcNAcylation S112 на основном гистоне H2B способствует моноубиквитинированию K120. [28] Аналогично, OGT ассоциируется с комплексом HCF1 , который взаимодействует с BAP1 для опосредования деубиквитинирования H2A. OGT также участвует в триметилировании H3K27 и создает комплекс корепрессора для содействия деацетилированию гистона при связывании с SIN3A . [29]
SUMOylation относится к добавлению белков Small Ubiquitin-like Modifier (SUMO) к гистонам. SUMOylation включает ковалентные присоединения между белками SUMO и остатками лизина (K) на гистонах и осуществляется в три основных этапа тремя соответствующими ферментами: активация через SUMO E1, конъюгация через SUMO E2 и лигирование через SUMO E3. У людей SUMO E1 был идентифицирован как гетеродимер SAE1 / SAE2 , SUMO E2 известен как UBE2I , а роль SUMO E3 может быть мультибелковым комплексом, играемым несколькими различными ферментами. [30]
SUMOylation влияет на статус хроматина (рыхлость) гистона и влияет на сборку факторов транскрипции на генетических промоторах, что приводит либо к репрессии транскрипции, либо к активации в зависимости от субстрата. [31] SUMOylation также играет роль в основных путях репарации ДНК: репарации эксцизии оснований , репарации эксцизии нуклеотидов , негомологичного соединения концов и репарации гомологичной рекомбинации . Кроме того, SUMOylation облегчает склонный к ошибкам синтез транслезии . [32]
ADP-рибозилирование (ADPr) определяет добавление одной или нескольких групп аденозиндифосфата рибозы (ADP-рибозы) к белку . [33] ADPr является важным механизмом в регуляции генов , который влияет на организацию хроматина, связывание факторов транскрипции и процессинг мРНК через ферменты поли-АДФ рибозополимеразы (PARP) . Существует несколько типов белков PARP, но подкласс ДНК-зависимых белков PARP, включая PARP-1, PARP-2 и PARP-3, взаимодействует с гистоном. [34] Фермент PARP-1 является наиболее важным из этих трех белков в контексте регуляции генов и взаимодействует со всеми пятью гистоновыми белками. [35]
Подобно PARP 2 и 3, каталитическая активность PARP-1 активируется прерывистыми фрагментами ДНК , фрагментами ДНК с одноцепочечными разрывами . PARP-1 связывает гистоны вблизи оси, где ДНК входит и выходит из нуклеосомы, и дополнительно взаимодействует с многочисленными хроматин-ассоциированными белками, которые допускают непрямую ассоциацию с хроматином. [34] При связывании с хроматином PARP-1 производит репрессивные гистоновые метки, которые могут изменять конформационное состояние гистонов и ингибировать экспрессию генов, так что может происходить репарация ДНК . Другие пути регуляции транскрипции с помощью PARP-1 включают действие в качестве корегулятора транскрипции , регуляцию РНК и модуляцию метилирования ДНК посредством ингибирования ДНК-метилтрансферазы Dnmt1 . [34] [36]
Цитруллинирование , или деиминирование, представляет собой процесс, посредством которого аминокислота аргинин (R) превращается в цитруллин . Белковые аргининдезиминазы (PAD) заменяют кетиминовую группу аргинина на кетоновую группу, образуя цитруллин. [42] PAD4 — это дезаминаза, участвующая в модификации гистонов и преобразующая аргинин в цитруллин на гистонах H3 и H4; поскольку метилирование аргинина на этих гистонах важно для активации транскрипции, цитруллинирование определенных остатков может привести к возможной потере метилирования, что приводит к снижению транскрипции генов; [37] специфическое цитруллинирование остатков H3R2, H3R8, H3R17 и H3R26 было выявлено в клетках рака молочной железы. [38] По данным исследований, проведенных в 2019 году, этот процесс считается необратимым. [39]
Изомеризация включает в себя трансформацию молекулы таким образом, что она принимает другую структурную конформацию; изомеризация пролина играет неотъемлемую роль в модификации хвостов гистонов. [40] Fpr4 является ферментом пролилизомеразой (PPIase), который преобразует аминокислоту пролин (P) на гистонах между цис- и транс-конформациями . Хотя Fpr4 обладает каталитической активностью в отношении ряда пролинов на N-концевой области основного гистона H3 (P16, P30 и P38), он наиболее легко связывается с P38. [41]
H3P38 находится рядом с остатком лизина (K) H3K36, и изменения в P38 могут влиять на статус метилирования K36. Два возможных доступных изомера P38, цис и транс, вызывают дифференциальные эффекты, которые противоположны друг другу. Цис-позиция индуцирует компактные гистоны и снижает способность белков связываться с ДНК, тем самым предотвращая метилирование K36 и уменьшая транскрипцию гена. Наоборот, транс-позиция P38 способствует более открытой конформации гистона, допуская метилирование K36 и приводя к увеличению транскрипции гена. [40]
Изменения в функциях ферментов, модифицирующих гистоны, нарушают контроль процессов, основанных на хроматине, что в конечном итоге приводит к онкогенной трансформации и раку . [43] Как метилирование ДНК , так и модификации гистонов демонстрируют закономерности распределения в раковых клетках. [44] [45] Эти эпигенетические изменения могут происходить на разных стадиях опухолегенеза и, таким образом, способствовать как развитию, так и прогрессированию рака. [45]
Было показано, что дефицит витамина B12 у мышей изменяет экспрессию ферментов, модифицирующих гистоны, в мозге, что приводит к поведенческим изменениям и эпигенетическому перепрограммированию. [46] Доказательства также показывают важность HDAC в регуляции липидного обмена и других метаболических путей, играющих роль в патофизиологии метаболических нарушений. [47]