Next: Metylacja histonów Up: Kowalencyjne modyfikacje histonów Previous: Ubikwitynacja histonów   Spis rzeczy

Acetylacja histonów

Histony rdzeniowe ulegają odwracalnej acetylacji wybranych reszt lizynowych ogonów N-końcowych. W nukleosomie znajduje się w sumie 26 miejsc acetylacji (Spencer i Davie, 1999). Modyfikacja histonów rdzeniowych poprzez acetylację prowadzi do głębokich zmian na wszystkich szczeblach struktur chromatynowcyh. Zaburzeniu ulega zwijanie chromatyny w struktury wyższego rzędu (Garcia-Ramirez i wsp., 1995), zwiększa się rozpuszczalność chromatyny przy fizjologicznej sile jonowej, stabilizowana jest rozwinięta struktura nukleosomu sprzyjająca transkrypcji (Walia i wsp., 1998). Przypuszcza się, że acetylacja ogonów histonów rdzeniowych utrudnia zwijanie ogonu N-końcowego, zaburzając tym samym powstawanie

struktur chromatynowych wyższego rzędu, a także odsłaniając nukleosomowe DNA oraz ułatwiając wiązanie i  działanie czynników transkrypcyjnych (Workman i Kingston, 1998). Ponadto acetylacja może wpływać na oddziaływania białek represyjnych kontaktujących się z ogonami N-końcowymi. Na przykład, skutkiem acetylacji są zaburzenia wiązania domeny końcowej z represorem Tup1 (Edmondson i wsp., 1996).

Enzymami katalizującymi odwracalną acetylację histonów są acetylotransferazy (HAT) i histonowe deacetylazy (HDAC). Badania ostatnich lat pozwoliły na ustalenie, że pierwsze z nich pełnią jednocześnie funkcję koaktywatorów transkrypcji, podczas gdy drugie są jej korepresorami. Tym samym udało się udowodnić związek modyfikacji kowalencyjnej białek chromosomowych (acetylacji histonów rdzeniowych) z ekspresją genów. Jedną z pierwszych odkrytych acetylotransferaz histonowych było białko p55 Tetrahymena, spokrewnione z drożdżowym białkiem Gcn5 (Brownell i wsp., 1996), znanym już uprzednio jako aktywator

transkrypcji. Możliwe okazało się zniesienie działania Gcn5  poprzez zaburzenie jego oddziaływania z białkiem Ada2, będącego składnikiem kompleksu adaptorowego, niezbędnego do zajścia transkrypcji (Candau i wsp., 1997). Ponadto udowodniono, że Gcn5 wchodzi w skład dużych kompleksów białkowych, zdolnych do acetylacji in vivo histonów: są to kompleksy Ada i SAGA (Grant i wsp., 1997). Pierwszy zawiera białka Ada3 i Ada2 i ma masę cząsteczkową równą 0,8 MDa, zaś drugi (Spt-Ada-Gcn5-acetylotransferaza) ma masę 1,8 MDa i zawiera białka Spt, czynniki związane z transkrypcją przez polimerazę RNA II (TAFII) i białko Tra-1, będące homologiem białka TRRAP (ludzkiego białka transformacyjnego związanego z domenami transkrypcyjnymi) (Grant i wsp., 1998). To ostatnie białko jest zaś związane z chorobą AT (ataxia

teleangiectasia). Inną acetylotransferazą histonów jest ludzkie białko PCAF. Jego domena C-końcowa przypomina drożdżowe GCN5; i również ono stanowi część dużego kompleksu zawierającego ponad 20 białek, w tym PAF400, białko o masie 400 kDa, będące ludzkim homologiem białka TRRAP (Vassilev i wsp., 1998). Białko to odgrywa rolę w modulacji aktywności czynnika p53 w odpowiedzi na uszkodzenia DNA przez promieniowanie ultrafioletowe: PCAF acetyluje koniec karboksylowy białka p53, powodując jego wiązanie do specyficznych sekwencji w DNA (Liu i wsp., 1999). PCAF zdolny jest również do acetylacji niehistonowych białek HMG-17 i HMG-14 związanych z nukleosomami (Herrera i wsp., 1999), powodując ich zmniejszone powinowactwo do nukleosomu. Inną acetylotransferazą histonową jest koaktywator transkrypcyjny CBP/p300. Białko to jest w stanie acetylować wszystkie cztery histony wewnątrz nukleosomu, jak również liczne czynniki transkrypcyjne, takie jak p53 i GATA-1 (Liu i wsp., 1999). CBP jest ponadto składnikiem holoenzymu polimerazy II RNA (Davie i Chadee, 1998). Do pozostałych białek o niedawno odkrytych funkcjach acetylotransferaz histonowych należą m.in. Esa1 - składnik wielobiałkowego drożdżowego kompleksu NuA4 o masie 1,3 MDa, zdolnego do acetylacji histonów H2A i H4 wyizolowanego ostatnio również z Tetrahymena (Ohba i wsp., 1999). Aktywność acetylotransferazy histonowej wykazują także duże kompleksy związane z rearanżacją (przebudową) struktur chromatynowych, a nie zawierające białka Gcn5: Swi/Snf i Srb/Mediator, konieczny do właściwej regulacji transkrypcji przez polimerazę II RNA (Carlson, 1997, patrz dalszy ciąg Wstępu).

Acetylacja histonów odgrywa ważną rolę w procesie transkrypcji. Histonowe acetylotransferazy drożdży (SAGA, NuA4, NuA3 i Ada) i Tetrahymena (NuA4) ułatwiają transkrypcję z matryc nukleosomowych (patrz dalej), lecz nie z nagiego DNA. Co istotne, enzymy wykazują działanie jedynie w obecności acetylokoenzymu A, źródła reszt acetylowych (Ohba i wsp., 1999; Steger i wsp., 1998). Acetylazy histonowe aktywują transkrypcję poprzez wzmocnienie etapów inicjacji i elongancji. Za proces wzmocnienia tego typu może odpowiadać złożona wielobiałkowa cząsteczka, zwana enhancosomem (cząstką wzmacniającą transkrypcję). Na przykład enhancosom IFN? złożony jest z białek NF-?B, IRF1, ATP2/c-Jun i HMG-I(Y), białka które jest zasadniczym elementem strukturalnym chromosomów. Po uformowaniu, kompleks taki przyłącza aktywnie białko CBP (poprzez podjednostkę p65 białka NF?B), które następnie przeprowadza acetylację histonów H3 i H4 w sąsiadujących ze sobą nukleosomach. Prowadzi to do przebudowy struktury chromatyny, czego wynikiem jest przyciągnięcie holoenzymu polimerazy RHA II i uruchomienie ekspresji genu IFN? (Merika i wsp., 1998).

Niedawno stwierdzono, że histony łącznikowe H1 i H5 mogą pełnić w chromatynie funkcję specyficznego represora acetylacji rdzeniowego histonu H3 (Herrera i wsp., 2000). Blokowanie acetylacji dotyczy wyłącznie histonu H3 związanego w mono- lub oligosomach (kilku nukleosomach ułożonych wzdłuż nici DNA), nie zaś wolnych histonów. Za inhibicję tego typu odpowiedzialne są ogony histonu łącznikowego wprowadzające zawadę steryczną dla aktywności acetylotransferazy histonowej. Mimo to, kompleks transacetylazy zawierający czynnik PCAF jest w stanie przełamać blokadę spowodowaną przez ogony histonów łącznikowych.

W przeciwieństwie do acetylacji, deacetylacja histonów prowadzi do zablokowania (represji) struktur chromatynowych. Histony ssaków są deacetylowane przez duże kompleksy zawierające wiele białek, takie jak kompleksy mSin3A i NuRD (Knoepfer i Eisenman, 1999; Kouzarides, 1999; Ayer, 1999). Pierwszy z nich zawiera korepresory mSin3, N-CoR, SMRT, RbAp48, RbAp4 i c-Ski (Nomura i wsp., 1999). W skład drugiego kompleksu, zdolnego do przebudowy chromatyny, wchodzą N-CoR, MTA2, Mi2 i RbAP46/48 (Grozinger i wsp., 1999). Kompleksy deacetylaz wykazują również aktywność wobec innych niż histony białek chromosomowych, takich jak acetylowane białka HMG i czynniki transkrypcyjne. Podobna przebudowa struktury chromatyny może wiązać się z jednoczesną aktywacją ekspresji genów przez indukcję deacetylaz histonowych w określonym punkcie różnicowania komórek. Na przykład ekspresja mysich deacetylaz mHDA1 i mHDA2, homologicznych z drożdżową deacetylazą RPD3, jest ściśle powiązana ze stanem zróżnicowania komórek, podobnie jak ma to miejsce w przypadku jednego z wariantów rozwojowych histonu H1, H1\( ^{o} \) (patrz dalsza część Wstępu, Verdel i Khochbin, 1999).

Oprócz znaczenia w regulacji transkrypcyjnej, acetylacja i deacetylacja histonów pełni bardzo ważną rolę podczas rozwoju i różnicowania komórek. Białka p300 i PCAF stanowią ważny element procesu miogenezy (różnicowania komórek mięśniowych) (Puri i wsp., 1997), jak i szeregu innych szlaków rozwojowych, takich jak różnicowanie erytrocytów, limfocytów i melanocytów. Mutacje genów acetylaz wywołują poważne choroby genetyczne u ludzi, takie jak zespół Rubinsteina-Taybiego, objawiający się opóźnieniem umysłowym i charakterystycznymi deformacjami szkieletu (Giles i wsp., 1995). Znany jest także związek acetylaz i deacetylaz histonowych z innymi groźnymi stanami chorobowymi, w tym z procesami nowotworowymi (Archer i Hodin, 1999). Najsilniejszego na to dowodu dostarcza ostra białaczka mieloidalna (AML), w której odnajduje się przemieszczony gen CBP połączony albo do domniemanej acetylazy MOZ (Kamine i wsp., 1996) lub też do domniemanego regulatora homeotycznego białaczki mieszanego pochodzenia (MLL) (Sobulo i wsp., 1997). Z rakiem związane są także deacetylazy histonowe (HDAC). Na przykład mutacje w białku retinoblastoma (RB), będącym supresorem procesu nowotworzenia, które znoszą jego oddziaływania z  HDAC, prowadzą do rozwoju raka, tak jak dzieje się to również w przypadku zablokowania tego oddziaływania przez onkoproteiny wirusowe (np. białko E7 wirusa HPV) (Kouzarides, 1999).


Next: Metylacja histonów Up: Kowalencyjne modyfikacje histonów Previous: Ubikwitynacja histonów   Spis rzeczy
Tomasz Calikowski 2000-06-15