Deacetylaza histonowa - Histone deacetylase

Deacetylaza histonowa
2vqj.png
Domena katalityczna ludzkiej deacetylazy histonowej 4 ze związanym inhibitorem. Renderowanie PDB oparte na 2vqj .
Identyfikatory
Nr WE 3.5.1.98
Nr CAS 9076-57-7
Bazy danych
IntEnz Widok IntEnz
BRENDA Wpis BRENDY
ExPASy Widok NiceZyme
KEGG Wpis KEGG
MetaCyc szlak metaboliczny
PRIAM profil
Struktury WPB RCSB PDB PDBe Suma PDB
Ontologia genów AmiGO / QuickGO
Nadrodzina deacetylazy histonowej
Identyfikatory
Symbol Hist_deacetyl
Pfam PF00850
InterPro IPR000286
SCOP2 1c3s / zakres / SUPFAM

Deacetylazy histonowe ( EC 3.5.1.98 , HDAC ) stanowią klasę enzymów , które usuwają grupy acetylowe (O = C-CH 3 ), z N-acetylo ε lizyny aminokwasu na histonu , umożliwiając histonów owinąć DNA ciaśniej . Jest to ważne, ponieważ DNA jest owinięte wokół histonów, a ekspresja DNA jest regulowana przez acetylację i deacetylację. Jego działanie jest odwrotne do działania acetylotransferazy histonowej . Białka HDAC są obecnie nazywane również deacetylazami lizynowymi (KDAC), aby opisać ich funkcję, a nie cel, który obejmuje również białka niehistonowe.

Super rodzina HDAC

Wraz z amidohydrolazami acetylopoliaminowymi i białkami utylizacji acetoiny , deacetylazy histonowe tworzą starożytną nadrodzinę białek znaną jako nadrodzina deacetylaz histonowych.

Klasy HDAC u wyższych eukariontów

HDAC są klasyfikowane w czterech klasach w zależności od homologii sekwencji do oryginalnych enzymów drożdży i organizacji domen:

Klasyfikacja HDAC u wyższych eukariontów
Klasa Członkowie Miejsca katalityczne Lokalizacja subkomórkowa Dystrybucja tkanek Podłoża Wiążący partnerzy Fenotyp nokautu
ja HDAC1 1 Jądro Wszechobecny Receptor androgenowy , SHP , p53 , MyoD , E2F1 , STAT3 Śmiertelność embrionów, zwiększona acetylacja histonów, wzrost p21 i p27
HDAC2 1 Jądro Wszechobecny Receptor glukokortykoidowy , YY1 , BCL6 , STAT3 Wada serca
HDAC3 1 Jądro Wszechobecny SHP , YY1 , GATA1 , Rela , STAT3 , MEF2D NCOR1
HDAC8 1 Jądro komórkowe/cytoplazma Wszechobecny? EST1B
IIA HDAC4 1 Jądro / cytoplazma serce, mięsień szkieletowy, mózg GCMA , GATA1 , HP1 RFXANK Wady w różnicowaniu chondrocytów
HDAC5 1 Jądro / cytoplazma serce, mięsień szkieletowy, mózg GCMA , SMAD7 , HP1 REA , receptor estrogenowy Wada serca
HDAC7 1 Jądro komórkowe / cytoplazma / mitochondria serce, mięsień szkieletowy, trzustka, łożysko PLAG1 , PLAG2 HIF1A , BCL6 , receptor endoteliny , ACTN1 , ACTN4 , receptor androgenowy , Tip60 Utrzymanie integralności naczyń, wzrost MMP10
HDAC9 1 Jądro / cytoplazma mózg, mięsień szkieletowy FOXP3 Wada serca
IIB HDAC6 2 Głównie cytoplazma serce, wątroba, nerki, łożysko α-tubulina , HSP90 , SHP , SMAD7 RUNX2
HDAC10 1 Głównie cytoplazma wątroba, śledziona, nerki
III sirtuiny u ssaków ( SIRT1 , SIRT2 , SIRT3 , SIRT4 , SIRT5 , SIRT6 , SIRT7 )
Sir2 w drożdżach S. cerevisiae
IV HDAC11 2 Jądro / cytoplazma mózg, serce, mięsień szkieletowy, nerka

HDAC (z wyjątkiem klasy III) zawierają cynk i są znane jako deacetylazy histonowe zależne od Zn2 + . Charakteryzują się klasyczną fałdą arginazy i są strukturalnie i mechanicznie różne od sirtuin (klasa III), które składają się w architekturę Rossmanna i są zależne od NAD + .

Podtypy

Białka HDAC są pogrupowane w cztery klasy (patrz powyżej) w oparciu o podobieństwo funkcji i sekwencji DNA. Klasy I, II i IV są uważane za „klasyczne” HDAC, których aktywność jest hamowana przez trichostatynę A (TSA) i mają miejsce aktywne zależne od cynku, podczas gdy enzymy klasy III są rodziną białek zależnych od NAD + znanych jako sirtuiny i nie są dotknięte przez TSA. Homologie do tych trzech grup znajdują się w drożdżach o nazwach: zmniejszona zależność od potasu 3 (Rpd3), co odpowiada klasie I; deacetylaza histonowa 1 (hda1), odpowiadająca klasie II; oraz regulator cichej informacji 2 ( Sir2 ), odpowiadający klasie III. Klasa IV zawiera tylko jedną izoformę (HDAC11), która nie jest wysoce homologiczna ani z enzymami drożdży Rpd3 ani hda1, a zatem HDAC11 jest przypisany do swojej własnej klasy. Enzymy klasy III są uważane za odrębny typ enzymów i mają inny mechanizm działania; enzymy te są zależne od NAD + , podczas gdy HDAC z innych klas wymagają Zn2 + jako kofaktora.

Ewolucja

HDAC są zachowane w całej ewolucji, wykazując ortologi u wszystkich eukariontów, a nawet u Archaea . Wszystkie wyższe eukarionty, w tym kręgowce, rośliny i stawonogi, posiadają co najmniej jeden HDAC na klasę, podczas gdy większość kręgowców nosi 11 kanonicznych HDAC, z wyjątkiem ryb kostnych, które nie mają HDAC2, ale wydają się mieć dodatkową kopię HDAC11, nazwaną HDAC12 . Rośliny niosą dodatkowe HDAC w porównaniu ze zwierzętami, przypuszczalnie w celu przeprowadzenia bardziej złożonej regulacji transkrypcyjnej wymaganej przez te organizmy siedzące. Wydaje się, że HDAC wywodzą się z pierwotnej domeny wiążącej acetyl, ponieważ homologi HDAC zostały znalezione u bakterii w postaci białek wykorzystujących acetoinę (AcuC).

Topologiczna reprezentacja drzewa filogenetycznego 226 członków rodziny białek HDAC.

Dystrybucja subkomórkowa

W obrębie HDAC klasy I, HDAC 1, 2 i 3 znajdują się głównie w jądrze, podczas gdy HDAC8 znajduje się zarówno w jądrze, jak i cytoplazmie, a także jest związany z błoną. HDAC klasy II (HDAC4, 5, 6, 7 9 i 10) są w stanie przemieszczać się do i z jądra, w zależności od różnych sygnałów.

HDAC6 jest cytoplazmatycznym enzymem związanym z mikrotubulami. HDAC6 deacetyluje tubulinę , Hsp90 i kortaktynę i tworzy kompleksy z innymi białkami partnerskimi, a zatem bierze udział w różnych procesach biologicznych.

Funkcjonować

Modyfikacja histonów

Ogony histonowe są zwykle naładowane dodatnio dzięki grupom aminowym obecnym na ich aminokwasach lizyny i argininy . Te dodatnie ładunki pomagają ogonom histonów wchodzić w interakcje i wiązać się z ujemnie naładowanymi grupami fosforanowymi w szkielecie DNA. Acetylacja , która normalnie zachodzi w komórce, neutralizuje dodatnie ładunki histonu poprzez zamianę amin na amidy i zmniejsza zdolność histonów do wiązania się z DNA. To zmniejszone wiązanie umożliwia ekspansję chromatyny , umożliwiając transkrypcję genetyczną . Deacetylazy histonowe usuwają te grupy acetylowe, zwiększając dodatni ładunek ogonków histonowych i zachęcając do wiązania z wysokim powinowactwem między histonami a szkieletem DNA. Zwiększone wiązanie DNA powoduje kondensację struktury DNA, zapobiegając transkrypcji.

Deacetylaza histonowa jest zaangażowana w szereg ścieżek w żywym systemie. Według Encyklopedii Genów i Genomów z Kioto ( KEGG ), są to:

Acetylacja histonów odgrywa ważną rolę w regulacji ekspresji genów. Hiperacetylowana chromatyna jest aktywna transkrypcyjnie, a hipoacetylowana chromatyna jest niema. Badanie na myszach wykazało, że określony podzbiór mysich genów (7%) uległ deregulacji pod nieobecność HDAC1. Ich badania wykazały, także regulacyjnego przesłuchy między HDAC1 i HDAC2 i zaproponować nową funkcję HDAC1 jako transkrypcji koaktywatorowych. Stwierdzono, że ekspresja HDAC1 jest zwiększona w korze przedczołowej pacjentów ze schizofrenią, co jest ujemnie skorelowane z ekspresją mRNA GAD67 .

Efekty niehistonowe

Błędem jest traktowanie HDAC wyłącznie w kontekście regulacji transkrypcji genów poprzez modyfikację histonów i struktury chromatyny, chociaż wydaje się, że jest to funkcja dominująca. Funkcję, aktywność i stabilność białek można kontrolować przez modyfikacje potranslacyjne . Fosforylacja białek jest prawdopodobnie najszerzej zbadaną i rozumianą modyfikacją, w której pewne reszty aminokwasowe są fosforylowane przez działanie kinaz białkowych lub defosforylowane przez działanie fosfataz . Acetylowanie reszt lizyny, wyłania się w sposób analogiczny do mechanizmu, w którym nie-histonowymi białkami jest poddana działaniu acetylases i deacetylazy. W tym kontekście odkryto, że HDAC wchodzą w interakcje z różnymi białkami niehistonowymi – niektóre z nich są czynnikami transkrypcyjnymi i koregulatorami , a inne nie. Zwróć uwagę na następujące cztery przykłady:

  • HDAC6 jest związany z agresomami . Źle sfałdowane agregaty białkowe są znakowane przez ubikwitynację i usuwane z cytoplazmy przez motory dyneinowe przez sieć mikrotubul do organelli określanych jako agresom. HDAC 6 wiąże poliubikwitynowane nieprawidłowo sfałdowane białka i łączy się z motorami dyneinowymi, umożliwiając w ten sposób fizyczny transport nieprawidłowo sfałdowanego białka do białek opiekuńczych i proteasomów w celu późniejszego zniszczenia. HDAC6 jest ważnym regulatorem funkcji HSP90 i jego inhibitorem proponowanym do leczenia zaburzeń metabolicznych.
  • PTEN jest ważną fosfatazą zaangażowaną w sygnalizację komórkową poprzez fosfoinozytole i szlak kinaz AKT / PI3 . PTEN podlega złożonej kontroli regulacyjnej poprzez fosforylację, ubikwitynację, utlenianie i acetylację. Acetylowanie PTEN przez czynnik związany z acetylotransferazą histonową p300/CBP ( PCAF ) może hamować jego aktywność; przeciwnie, deacetylacja PTEN przez deacetylazę SIRT1 i przez HDAC1 może stymulować jego aktywność.
  • APE1/Ref-1 ( APEX1 ) jest wielofunkcyjnym białkiem posiadającym zarówno aktywność naprawczą DNA (w miejscach bezzasadowych i jednoniciowych pęknięć), jak i transkrypcyjną aktywność regulacyjną związaną ze stresem oksydacyjnym . APE1/Ref-1 jest acetylowany przez PCAF; z drugiej strony jest stabilnie związany i deacetylowany przez HDAC klasy I. Wydaje się, że stan acetylacji APE1/Ref-1 nie wpływa na jego aktywność naprawy DNA , ale reguluje jego aktywność transkrypcyjną, taką jak zdolność do wiązania się z promotorem PTH i inicjowania transkrypcji genu parathormonu .
  • NF-κB to kluczowy czynnik transkrypcyjny i cząsteczka efektorowa zaangażowana w odpowiedzi na stres komórkowy, składająca się z heterodimeru p50/p65. Podjednostka p65 jest kontrolowana przez acetylację przez PCAF i przez deacetylację przez HDAC3 i HDAC6.

To tylko kilka przykładów stale pojawiających się niehistonowych i niechromatynowych ról w HDAC.

Choroby neurodegeneracyjne

Odziedziczone mutacje w genie kodującym FUS , białko wiążące RNA / DNA , są przyczynowo powiązane ze stwardnieniem zanikowym bocznym (ALS). FUS odgrywa kluczową rolę w odpowiedzi na uszkodzenie DNA, polegającą na jego bezpośredniej interakcji z deacetylazą histonową 1 (HDAC1). Zmutowane białka FUS ALS są uszkodzone w odpowiedzi na uszkodzenie DNA i w rekombinacyjnej naprawie DNA , a także wykazują zmniejszoną interakcję z HDAC1.

Ataksja-teleangiektazja spowodowana jest mutacją w genie Atm . Atm typu dzikiego koduje kinazę białkową stosowaną w przebudowie chromatyny i zmianach epigenetycznych, które są wymagane do naprawy pęknięć dwuniciowych DNA . Mutacja Atm powoduje, że neurony akumulują jądrową deacetylazę histonową 4 (HDAC4), co skutkuje zwiększoną deacetylacją histonów i zmienioną ekspresją genów neuronalnych, co prawdopodobnie przyczynia się do neurodegeneracji charakterystycznej dla ataksji-teleangiektazji.

Inhibitory HDAC

Inhibitory deacetylazy histonowej (HDI) mają długą historię stosowania w psychiatrii i neurologii jako stabilizatory nastroju i leki przeciwpadaczkowe, na przykład kwas walproinowy . W ostatnich czasach, HDI są badane jako środek łagodzący lub leczenie chorób neurodegeneracyjnych . Również w ostatnich latach podjęto wysiłki w celu opracowania HDI do leczenia raka. Worinostat (SAHA) został zatwierdzony przez FDA w 2006 roku do leczenia objawów skórnych u pacjentów ze skórnym chłoniakiem z komórek T (CTCL), u których wcześniejsze leczenie nie powiodło się. Drugi HDI, Istodax ( romidepsyna ), został zatwierdzony w 2009 roku dla pacjentów z CTCL. Dokładne mechanizmy działania tych związków są niejasne, ale zaproponowano szlaki epigenetyczne . Ponadto badanie kliniczne bada wpływ kwasu walproinowego na utajone pule wirusa HIV u osób zakażonych. HDI są obecnie badane jako chemosensybilizatory w chemioterapii cytotoksycznej lub radioterapii lub w połączeniu z inhibitorami metylacji DNA w oparciu o synergię in vitro. Opracowano HDI selektywne względem izoform, które mogą pomóc w wyjaśnieniu roli poszczególnych izoform HDAC.

Inhibitory HDAC mają wpływ na białka niehistonowe, które są związane z acetylacją. HDI mogą zmieniać stopień acetylacji tych cząsteczek, a tym samym zwiększać lub tłumić ich aktywność. Dla czterech przykładów podanych powyżej (patrz Funkcja ) na HDAC działających na białka niehistonowe, w każdym z tych przypadków inhibitor HDAC, trichostatyna A (TSA) blokuje ten efekt. HDI Wykazano zmieniać aktywność wielu czynników transkrypcyjnych, takich ACTR , cMyb , E2F1, EKLF , FEN 1 , GATA, HNF-4 , HSP90, Ku70 , NFkB, PCNA , P53, RB , RUNX, SF1 SP3 STAT TFIIE , TCF , YY1.

Ciało keton β-hydroksymaślan została wykazana u myszy, w celu zwiększenia ekspresji genu z FOXO3a przez hamowanie deacetylazy histonowej.

Inhibitory deacetylazy histonowej mogą modulować latencję niektórych wirusów, powodując reaktywację. Wykazano, że występuje to na przykład w przypadku utajonego zakażenia ludzkim wirusem herpes-6 .

Inhibitory deacetylazy histonowej wykazały aktywność przeciwko pewnym gatunkom i stadiom zarodźca, co może wskazywać na ich potencjał w leczeniu malarii. Wykazano, że HDI gromadzą acetylowany histon H3K9/H3K14, docelowy cel HDAC klasy I.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne