Модификации гистонов

Модификации гистонов могут изменять хроматиновую матрицу посредством сis-эффектов, изменяющих межнуклеосомные контакты и промежуточные расстояния, или же trans-эффектов, вызываемых ассоциациями гистоновых и негистоновых белков с матрицей. Каков же вклад и биологический результат модификаций гистонов? Типы структуры хроматина, коррелирующие с модификациями гистоновых "хвостов", выявились в результате исследований, в которых использовалась основная масса гистонов и которые позволили предположить, что эпигенетические метки могут обеспечить сигнатуры "включено" (т.е. активно) или "выключено" (т.е. неактивно). Это выяснилось в результате длительных исследований большей частью коррелятивного характера, которые показали, что определенные модификации гистонов, в особенности их ацетилирование , связаны с доменами активного хроматина или с участками, в целом пермиссивными для транскрипции. В противоположность этому другие метки, такие как некоторые фосфорилированные остатки гистонов, давно ассоциировались с конденсированным хроматином, который, в целом, не поддерживает транскрипционную активность.

Прежде всего, обсудим, каким образом производятся или удаляются модификации гистонов. Большая работа, проведенная в области исследования хроматина, позволила предположить, что модификации хвостов гистонов образуются ("записываются") или удаляются ("стираются") в результате каталитического действия ассоциированных с хроматином ферментативных систем. Однако исследователям годами не удавалось идентифицировать эти ферменты. К счастью, к настоящему времени идентифицировано очень большое число модифицирующих хроматин энзимов из различных источников. Этот успех был достигнут в результате многочисленных биохимических и генетических исследований. Эти ферменты часто входят в состав крупных, состоящих из многих субъединиц комплексов, которые могут катализировать включение или удаление ковалентных модификаций как в гистоновых, так и в негистоновых мишенях. Более того, многие из этих энзимов катализируют свои реакции с замечательной специфичностью по отношению к остатку-мишени и к клеточному контексту (т.е. в зависимости от внешних или внутренних сигналов).

Для ясности, а также в качестве примера, обсудим кратко четыре главные ферментативные системы, которые катализируют модификации гистонов, вместе с ферментативными системами противоположного действия, обеспечивающими реверсию этих модификаций ( рис. 3.10 ) ( Vaquero et al., 2003 ; Holbert and Marmorstein, 2005 ). В совокупности эти антагонистические активности управляют устойчивым балансом каждой рассматриваемой модификации.

Ацетилазы гистонов (HATs) ацетилируют остатки специфических лизинов в гистоновых субстратах ( Roth et al., 2001 ); реверсия обеспечивается действием деацетилаз гистонов (HDACs) ( Grozinger and Schreiber, 2002 ). Ферменты семейства гистоновых киназ фосфорилируют остатки специфических серинов или треонинов, а фосфатазы (PPTазы) удаляют метки, созданные фосфорилированием. Особенно хорошо известны митотические киназы , такие как циклин-зависимая киназа или киназа "aurora" , катализирующая фосфорилирование корового ( НЗ ) и линкерного ( H1 ) гистонов. Менее очевидны в каждом из этих случаев противостоящие РРТазы, действие которых ревертирует результат этого фосфорилирования, когда клетки выходят из митоза.

Были описаны два общих класса метилирующих ферментов: PRMTs (protein arginine methyltransferases - метилтрансферазы аргининов белка), субстратом которых является аргинин ( Lee et al., 2005 ), и HKMTs (histone lysine methyltransferases - метилтрансферазы лизинов гистонов), действующие на остатки лизина ( Lachner et al., 2003 ). Метилирование аргининов косвенным образом ревертируется действием дезаминаз, которые конвертируют метиларгинин (или аргинин) в остаток цитруллина ( Bannister and Kouzarides, 2005 ). Метилированные остатки лизина оказываются химически более стабильными. Было показано, что метилированный лизин существует в моно-, ди- и триметилированном состояниях. Несколько триметилированных остатков на аминоконцах НЗ и Н4 , по-видимому, обладают возможностью стабильно воспроизводиться в ходе клеточных делений ( Lachner et al., 2004 ), как и метка H4K20mel в имагинальных дисках Drosophila ( Reinberg et al., 2004 ). Описана лизин- специфичная деметилаза (LSD1) как аминооксидаза, способная удалять метилирование НЗК4 ( Shi et al., 2004 ). Этот энзим действует путем FSD -зависимой окислительной дестабилизации аминометильной связи, что приводит к образованию немодифицированного лизина и формальдегида. Было показано, что LSD1 действует избирательно в отношении активирующей НЗК4 метки, созданной метилированием, и может дестабилизировать только моно- и ди-, но не триметилирование.

Эта деметилаза является частью большого репрессивного белкового комплекса, который содержит также HDACs и другие энзимы. Другие данные позволяют предполагать, что LSD1 может соединяться в комплекс вместе с рецептором андрогена в локусах-мишенях и деметилирует репрессивную гистоновую метку НЗК9mе2, внося вклад в транскрипционную активацию ( Metzger et al., 2005 ).

Другой класс гистоновых деметилаз, согласно данной ему храктеристике, работает с помощью более мощного механизма, механизма радикальной атаки , известного как гидроксилазы или диоксигеназы ( Tsukada et al., 2006 ). Одна из них дестабилизирует только H3K36me2 (активная метка), но не триметилированное состояние. Эта новая гистоновая деметилаза jumonji (JHDM1) содержит консервативный домен jumonji , которых в геноме млекопитающих известно около 30; это позволяет предполагать, что некоторые из этих энзимов, может быть, могут атаковать и другие остатки, так же как триметильное состояние ( Fodor et al., 2006 ; Whetstine et al., 2006 ).

Значительный прогресс был достигнут в анализе систем ферментов, управляющих устойчивым балансом этих модификаций, и мы подозреваем, что в этой увлекательной области будут достигнуты гораздо большие успехи. Остается понять, как регулируются эти ферментативные комплексы и как становятся мишенями их физиологически релевантные субстраты и сайты. Кроме того остается неясным, как ковалентные механизмы влияют на эпигенетические явления.

Модификации гистонов происходят не изолированно, а на основе комбинирования, как это предполагается для модификационных кассет (т.е. ковалентных модификаций в соседних остатках определенного гистонового хвоста, например НЗК9mе и H3S10ph или H4Slph, H4R3me и Н4К4ас) и trans-гистоновых путей (ковалентных модификаций между разными хвостами гистонов или нуклеосомами; рис. 3.11 ). Интригует тот факт, что почти все известные модификации гистонов коррелируют с активирующей или репрессивной функциями, в зависимости от того, какой аминокислотный остаток (остатки) в аминоконце гистона модифицирован. Описаны как синергистические, так и антагонистические пути ( Zhang and Reinberg, 2001 ; Berger, 2002 ; Fischle et al., 2003b ), которые могут постепенно индуцировать комбинации активных меток, одновременно противодействуя репрессивным модификациям. Неизвестно, однако, сколько разных комбинаций модификаций по различным аминотерминальным позициям гистонов существует для любой данной нуклеосомы, потому что большинство исследований было выполнено на препаратах суммарных гистонов.

Было показано также, что на структуру и сборку хроматина влияют, кроме аминоконцов, модификации в глобулярных доменах гистонов ( Cosgrove et al., 2004 ), регулируя тем самым экспрессию генов и репарацию повреждений ДНК ( van Attikum and Gasser, 2005 ; Vidanes et al., 2005 ). Стоит также упомянуть, что несколько модифицирующих гистоны энзимов избирают своей мишенью и негистоновые субстраты ( Sterner and Berger, 2000 ; Chuikov et al., 2004 ). Рисунок 11 иллюстрирует два примера установленных иерархий гистоновых модификаций, которые, по-видимому, индексируют транскрипцию активного хроматина или, напротив, определяют рисунок гетерохроматиновых доменов.

Ссылки:

Все ссылки