Posttranslacijske modifikacije histonov in njihov pomen

UVOD

Histoni so skupina celičnih proteinov, ki sodelujejo v ureditvi dolgih DNA molekul v strukturo kromatina. Znanih je več vrst histonov, za namene naše seminarske naloge pa so pomembni tipi histonov v celičnem jedru. Poznamo jih 4, in sicer H2A, H2B, H3 ter H4. Dva dimera H2A-H2B ter en tetramer H3-H4 tvorijo histonski oktamer, okoli katerega se ovija DNA. Jedrni histoni si delijo podobno zgradbo; vsak ima namreč globularno domeno iz 3 alfa vijačnih heliksov ter N-terminalni konec oblikovan v t.i. »repek«. V oktameru se domene histonov usmerijo v skupno središče, repki pa štrlijo ven. Na ta način so N-terminalni konci izpostavljeni delovanju določenim proteinom, ki specifično modificirajo lastnosti histonov oziroma njihove interakcije z molekulami DNA. Poznamo več tipov modifikacij histonov: metilacija, acetilacija, fosforilacija, ubikvitinacija, ADP ribozilacija, sumoilacija, deiminacija, proteinska izomerizacija. Za vsako od teh modifikacij ima celica nabor encimov, kateri katalizirajo prenose specifičnih funkcionalnih skupin na točno določen aminokislinski ostanek histonskega repka (enako velja za obratno pot). Sprememba strukture ali lastnosti histonskega N-terminalnega konca pa ima velik vpliv na interakcije med histoni samimi ter molekulo DNA. Pogosto je razlog sprememba elektrostatskega naboja, posledično se spreminja ohlapnost oziroma tesnost navitja DNA molekule okoli histonskih oktamerov. Na podlagi tega lahko zaključimo, da imajo histonske modifikacije 2 glavni funkciji: organizacijo kromatina v bodisi ev-, bodisi heterokromatin, ter regulacijo transkripcije genov. V našem seminarju se bomo osredotočili predvsem na acetilacijo, metilacijo in fosforilacijo histonov, saj so te modifikacije najbolje raziskane.

ACETILACIJA

Acetilacija je do danes najbolj raziskana modifikacija histonov. Gre za reverzibilen proces pripenjanja acetilne skupine iz acetil koencima A na N-terminalni repek enega od histonov. To reakcijo katalizirajo encimi iz skupine acetiltransferaz in imajo visoko stopnjo specifičnosti. Vsem je namreč skupno, da acetilno skupino prenašajo le na lizinske aminokislinske ostanke na N-terminalni konec histona, znotraj skupine pa se razlikujejo po tarčnem histonu in določeni lokaciji lizinskega ostanka, kateremu pripnejo acetilno skupino. Obstajajo pa tudi izjeme – opažene so bile namreč tudi acetilacije lizina na globularni domeni histona H3. Pripetje acetilne skupine na določeno mesto na določenem histonu pa ima, kot že napovedano v uvodu, velik vpliv tako na strukturo kromatina, kot tudi na regulacijo transkripcije genov. Že iz samih lastnosti molekule DNA, histonov in acetilne skupine lahko sklepamo, da se te spremembe dogajajo na podlagi variiranja elektrostatskega naboja. DNA je namreč negativno nabita, histonski repki pa imajo pozitiven naboj; ustvarja se elektrostatski privlak, ki ohranja molekulo DNA tesno ovito okoli histonskih oktamerov. Acetilna skupina, vezana na lizinski ostanek, pa spremeni naboj N-terminalnega repka v negativnega in s tem povzroči tvorbo odbojne interakcije med histonom in DNA. Posledično je molekula DNA bolj ohlapno navita okoli histonskega oktamera. Regijam kromatina, kjer je DNA bolj ohlapno navita okoli histonov oz. »sproščena«, pravimo evkromatin. V takem stanju je DNA izpostavljena delovanju raznih transkripcijskih faktorjev, ki lahko poženejo mehanizem transkripcije DNA. Torej, acetilacija histonov pozitivno regulira transkripcijo genov. Medtem ko pa encimi reverznega procesa, deacetilacije, povzročijo ravno nasproten učinek. Z odstranitvijo acetilne skupine iz histonskih repkov se zopet vzpostavi elektrostatski privlak z molekulo DNA, kar povzroči tesno navitje okoli histonov in ureditev kromatina v prepisno neaktiven heterokromatin.

METILACIJA

Metilacija je zelo stabilna modifikacija histonov. Kljub stabilnosti je reverzibilna modifikacija. Poteče lahko na lizinu ali argininu histonov H3 ali H4. Vpliva na tvorbo heterokromatina ter povzroči aktivacijo ali represijo transkripcije. Metilacija ne spremeni naboja aminokisline, temveč temelji na spremembi drugih interakcij kromatina kot so na primer hidrofobne interakcije. Metilirana mesta na histonih pa lahko predstavljajo tudi vezavna mesta za različne proteine, ki sodelujejo pri transkripciji, demetilaciji, … Za proces metilacije so ključni encimi metiltransferaze, ki so specifične za lizin ali arginin. Le-te prenesejo metilne skupine z S-adenil metionina na lizin ali arginin. Dodajo lahko od ene do treh metilnih skupin na lizin in do dve metilni skupini na arginin. Najbolj pogosta je metilacija lizinov na histonu H3. Metilacije arginina so redkejše kot in imajo lahko prav tako pozitiven ali negativen vpliv na transkripcijo. Znana so tri mesta metilacije lizina, ki povzročijo aktivacijo transkripcije in to so H3K4, H3K36 in H3K79. Na ta mesta metilacije se povezujejo različni proteinski kompleksi, predvsem v povezavi z RNA polimerazo II. Ta mesta so pomembna tako pri iniciaciji transkripcije, kot tudi pri elongaciji. Najverjetneje je njihova naloga tudi pri prekinitvi nepravilne iniciacije transkripcije, posredno vlogo pa imajo tudi pri ohranjanju heterokrmatina. Metilacijska mesta na lizinu za represijo transkripcije so H3K9, H3K27 in H4K20. Metilacija na H3K9 je povezana z utišanjem genov evkromatina in formacijo utišanega heterokromatina. Metilacija na mestu H3K27 je povezana z utišanjem HOX gena, ki je pomemben pri pravilnem razvoju embria ter utišanjem neaktivnega kromosoma X. H4K20 pa ima deluje pri nastanku heterokromatina in ima vlogo pri popravljanju DNA.

Demetilacija lizina poteka z encimi demetilazami, ki jih uvrščamo v dve skupine glede na njihovo katalitično domeno: LSD1 domeno in JmjC domeno. Znano je, da LSD1 demetilira H3K4 in tako povzroči represijo transkripcije. LSD1 pa se lahko poveže v kompleks z drugimi proteini in odstrani metilno skupino s H3K4 in na ta način transkripcijo aktivira. JmjC lahko v povezavi z različnimi proteini demetilira H3K4, H3K9 in H3K36.

Trenutno ni poznane demetilaze, ki bi z arginina reverzibilno odstranila metilno skupino, poznana pa je reakcija, imenovana deiminacija, pri kateri se preko spremembe arginina v citrulin odstrani metilna skupina. Posledično je aktivacija transkripcije prekinjena.

FOSFORILACIJA

O fosforilaciji histonov, ter vlogi te histonske modifikacije je še precej neznanega. Znana so mesta, ki se v različnih tipih histonov fosforilirajo, ter katere kinaze to opravljajo, precej neznan pa je za enkrat še pomen teh fosforilacij, kako te modifikacije vplivajo na transkripcijo DNA in kakšni so celični odzivi na to modifikacijo. Večinoma se v histonih fosforilira serin, občasno pa tudi treonin in tirozin. Znano je, da fosforilacija teh aminokislin v histonih sodeluje pri uravnavanju transkripcije genov, popravljanju DNA, kondenzaciji kromosomov, napredovanju celičnega cikla ter apoptozi. DNA je negativno nabita molekula, med tem ko so histoni nabiti pozitivno, kar ustvarja osnovni privlak med njima in jima omogoča povezovanje. Fosforilacija histonov zmanjša ta učinek, saj zmanjšuje pozitivno nabitost histonov ter posledično niža afiniteto histonov do DNA, to pa privede do preureditve DNA histonskih kompleksov v heterokromatin v katerem poteka transkipcija genov. To je eden od učinkov fosforilacije histonov, ki je najbolj očiten, drugi učinki pa so precej manj očitni in jih je posledično tudi težje raziskovati. Raziskovalci sumijo, da so fosforilirane aminokisline tudi oznaka za določene transkripcijske faktorje, da morajo na tem mestu začeti transkripcijo, kljub temu pa še niso našli univerzalne domene, ki bi prepoznavala tako fosforilirane histone, za razliko od metiliranih in acetiliranih histonov, za katere so že našli domene, ki prepoznavajo te dve bolj raziskani histonski modifikaciji (110 aminokislinsko bromo domeno za acetiliran lizin, ter kromo domene, ter WD40 domene za metiliran lizin). Zdi se, da je fosforilacija določenih histonov direktno povezana z celičnim odzivom na pogoje v katerih se je celica znašla. Tako je fosforilacija histonov H2A ter H4 povezana z poškodbami DNA in vzpodbudi transkripcijo genov, ki zapisujejo za proteine zadolžene za popravljanje DNA, ali pa sprožijo apoptozo. Fosforilacija H2B se sproži ob celičnem stresu in sproži transkripcijo stresnih genov, fosforilacija histona H3 pa se sproži med mitozo in pomaga pri kondenzaciji kromatina v kromosome. Znano je tudi to, da fosforilacijske spremembe histonov tesno sodelujejo z drugimi modifikacijami kot sta metilacija in acetilacija. V primeru fosforilacije serina 10 v 3H se poveča aktivnost HAT encimov ki sodelujejo pri acetilaciji histonov, kar ilustrira mojo trditev. Pomembno je da razumemo prepletenost večine histonskih modifikacij, saj le te med seboj sodelujejo, povzročajo ena drugo ter se dopolnjujejo. To opisuje hipoteza Histonske kode ki pravi da so histonske modifikacije ključni regulator transkripcije genov.

DRUGE MODIFIKACIJE

UBIKVITINACIJA

Ubikvitinacija je modifikacija, ki poteka predvsem na lizinih podenot H2A, H2B, H1 in H3. Najverjetneje ta modifikacija predstavlja mesto za vezavo drugih proteinov in na ta način vpliva na transkripcijo, lahko pa tudi rahlja strukturo nukleosomov, saj je v primerjavi z ostalimi modifikacijskimi skupinami ubikvitin precej večji, in z tem omogoča lažji dostop proteinom, ki sodelujejo pri trasnkripciji (RNA-polimeraza in podobno). Pri vezavi ubikvitina na histone sodelujejo encimi E1, E2 in E3, molekulo pa odstranijo izopeptidaze.

SUMOILACIJA

Sumoilacija poteka na lizinih histonov H2A, H2B, H3 in H4 in povzroči represijo transkripcije. Vpliva tudi na aktivnost deacetilaz. Raziskovalci domnevajo da je sumoilacija signal za prehod od aktivacije do represije kromatina. SUMO najverjetneje blokira vezavno mesto na lizinu in tako preprečuje acetilacije in ubikvitinizacije histonov, ki vzpodbujajo transkripcijo.

POLI ADP-RIBOZILACIJA

Poteka lahko na vseh histonih. Je modifikacija, ki jo ob manjši poškodbi DNA povzroči encim ADP-riboza polimeraza-1. Ta sprememba povzroči lokalno dekondenzacijo kromatina.

VIRI

Kouzarides T., Chromatin Modifications and Their Function, Cell, 2007, št.128/4, str. 693-705

Sterner D.E., Berger S.L., Acetylation of Histones and Transcription-Related Factors. American Society for Microbiology, Microbiology and Molecular Biology reviews. 2000 št. 64 str. 2 435-459

Cheung P, Lau P. Epigenetic regulation by histone methylation and histone variants. Mol Endocrinol. 2005;19(3):563–73

Bannister AJ, Schneider R, Kouzarides T. Histone Methylation. Cell. 2002;109(7):801–806

Banerjee, T., & Chakravarti, D. (2011). A peek into the complex realm of histone phosphorylation. Molecular and Cellular Biology, 31(24), 4858–73. doi:10.1128/MCB.05631-11