Analiza posttranslacijskih sprememb histonov

Uvod

Histonske beljakovine so sestavljene iz globularnega dela in iz nestabilnih aminokislinskih terminalnih domen. Prav ti nestabilni aminokislinski deli so podvrženi velikemu številu posttranslacijskih modifikacij, med katere spadajo acetilacija, metilacija, fosforilacija, ubikvitinacija, sumoilacija, glikozilacija, ADP-ribozilacija, biotinilacija in karbonilacija; katere bomo v nadaljevanju na kratko predstavile. Te posttranslacijske modifikacije histonov so glavni mehanizmi regulacije transkripcije DNK. Posebne kombinacije posttranslacijskih sprememb spremenijo strukturo kromatina in pripomorejo k olajšani transkripciji ali utišanju genov.

Posttranslacijske spremembe

Acetilacija

Postopek acetilacije lahko razdelimo na acetilacijo in deacetilacijo. Prva je povezana s transkripcijsko aktivnostjo kromatina, druga pa poteka v neaktivnem kromatinu. Obe potekata na N-terminalnem delu proteina na lizinskih ostankih pri vseh štirih histonskih proteinih, ki tvorijo nukleosom, pri čemer se pri acetilaciji lizinskih ostankov histonski naboj nevtralizira. S tem je reducirana njihova afiniteta do negativno nabite DNA in se zato lahko veriga DNA dekondenzira in pride do trankripcije. Pri tem pa se transkripcijsko aktivna mesta evkromatina hiperacetilirajo, mesta neaktivnega heterokromatina pa so hipoacetilirana. Acetilacija vpliva tudi na interakcije med histoni in interakcije histonov z drugimi regulatornimi proteini. Zaradi tega je pomembna tudi pri procesih kot so replikacija in nastanek nukleosoma, pri procesu pakiranja kromatina in pri interakcijah nehistonskih proteinov z nukleosomom. Oba procesa sta regulirana s histonsko acetiltransferazo. Poznamo dve vrsti tega encima. Tip A se nahaja v jedru, tip B pa v citoplazmi. Znan pa je še en encim, ki nadzoruje celoten proces in sicer histonsko deacetilazo, ki ima prav tako dva tipa, kjer se tudi en tip nahaja v jedru, drugi pa v citoplazmi. Ta dva encima pa ne vplivata le na delovanje histonov ampak tudi na druge transkripcijske faktorje in na nekatere hormonske receptorje.

Metilacija

Tudi metilacija vpliva na strukturo kromatina preko histonov, zaradi česar so kromatini v bolj črvsti kondenzirani obliki. Hkrati je s tem otežen oziroma tudi preprečen kakršenkoli proces transkripcije ali pa popravljanja DNA. Poteka na lizinu, redkeje na argininu. Vsak lizin lahko sprejme 1-3 metilne skupine, medten ko lahko arginin sprejme maksimalno 2. Aktivacija/represija je odvisna od količine metilacije. Med postopkom se ne spremeni naboj lizina in arginina, kot se to zgodi pri acetilaciji, ampak vpliva na kromatin preko drugačnih interakcij, npr. hidrofobnih. Pri tem sodeluje več različnih encimov, s skupnim imenom metiltransferaze, ki pa sodelujejo še pri drugih bioloških procesih. Obstaja pa tudi hipoteza, ki pravi, da metilacija aminokislin predstavlja vezavno mesto za različne druge proteine, ki uravnavajo downstream reakcije.

Fosforilacija

O fosforilaciji histonov je še vedno znano le malo podatkov. Vemo, da fosforilacija histonov sodeluje pri procesih kot so transkripcija in popravljanje DNA, apoptoza celic ter kondenzacija kromosomov. Fosforilira se predvsem serin. Dodatek negativno nabitih fosfatnih skupin na histonu nevtralizira njihov osnovni naboj, kar privede do nižje afinitete histonov do DNA. Znano je tudi, da fosforilacija serina 10 v histonu H3 vpliva na aktivacijo genov v sesalskih celicah. Ob tem se poveča aktivnost HAT encimov (to so isti encimi, ki sodelujejo tudi pri acetilaciji). Torej fosforilacija verjetno vpliva na aktivacijo trankripcije preko stimuliranja aktivacije HAT na istem histonu. Poleg tega je fosforilacija histona povezana še z mitotično kondenzacijo kromosomov in ob poškodbi DNA aktivira pot za popravilo le-te.

Ubikvitinacija

Histon H2A je bil prvi histon za katerega so ugotovili, da je bil ubikvitiniran. Ubikvitiniranega je lahko 5 - 15% tega histona. Ubikvitinirajo se tudi histoni H1, H3 in v manjšem obsegu tudi histon H2B. Ubikvitinira se lizin na C-terminalnem koncu histona. Zmožnosti za ubikvitinacijo so omejene s količino prostega ubikvitina in aktivnosti encimov, ki so vpleteni v ubikvitinacijo oziroma deubikvitinacijo histonov. Pri dodajanju ubikvitina na histon sodelujejo encimi E1, E2 in E3. Pri odstranjevanju ubikvitina iz histonov pa encimi izopeptidaze. Obstajajo vsaj trije možni mehanizmi, ki pojasnjujejo kako ubikvitinirani histoni vplivajo na transkripcijo: •ubikvitin vpliva na večjo organiziranost kromatina (boljša dostopnost transkripcijske mašinerije do DNA) •ubikvitin lahko deluje kot signal, ki rekrutira regulatorne molekule •ubikvitin vpliva na transkripcijo tako, da vpliva na druge snovi, ki modificirajo histone

Sumoilacija

Sumoilacija (small ubiquitin - related modifier; SUMO) je modifikacija histonov, ki regulira represijo transkripcije. Najpogostejša je sumoilacija histona H4, poteka pa tudi na histonih H2A, H2B in H3. Z acetilacijo histonov se prične aktivacija kromatina. Potem, ko transkripcija DNA poteče do konca, pričnejo delovat proteini, ki jo zavirajo. Signal za pričetek delovanja sumoilacijskih encimov je začetek acetilacije histonov. V naslednjem koraku histonska deacetilaza (HDAC) odstrani acetilne skupine in metiltransferaza metilira histone in omogoči vezavo heterikromatin proteina 1 (HP1), kar povzroči ponovno kondenzacijo kromatina. Ker so raziskovalci zasledili povečano sumoilacijo še pred delovanjem HDAC/HP1, domnevajo da je sumoilacija signal za prehod od aktivacije do represije kromatina. SUMO verjetno blokira vezavno mesto na lizinu in tako preprečuje zmožnost acetilacije in ubikvitinizacije histonov.

Glikozilacija

Med modifikacije histonov spada tudi glikozilacija. Ena izmed vrst O - glikozilacije je O-N-acetilglukozamin (O-GlcNAc) glikozilacija. Postranslacijske modifikacije histonov z O-GlcNAc katalizira encim imenovan O-GlcNAc transferaza (OGT). OGT interagira s histonskim deacetilaznim kompleksom pri pripenjanju korepresorja mSin3A. Namreč mSin3A in OGT kooperativno blokirata transkripcijo vzporedno s histonsko deacetilacijo. Raziskovalci predpostavljajo, da se mSin3A veže na OGT promotor in inaktivira transkripcijske faktorje in RNA polimerazo 2 s pomočjo O-GlcNAc modifikacije. Ta O-GlcNAc modifikacija poteče vzporedno z deacetilacijo in povzroči utišanje genov. Torej mSin3A združi OGT in histonsko deacetilazo v korepresorski kompleks. Za odstranitev O-GlcNAc iz histonov pa je odgovorna O-GlcNac-aza.

ADP-ribozilacija

Ob manjših poškodbah DNA aktivacija encima poli ADP-riboza polimeraza-1 (PARP-1, na proteine dodaja ADP-riboze) povzroči kovalentno modifikacijo histonov in še nekaterih drugih proteinov, ki sodelujejo s kromatinom. Zaradi visokega negativnega naboja poli ADP-riboze, ti modificirani proteini izgubljajo afiniteto do DNA. Histoni se lahko na določenih odsekih zato relaksirajo in pride do lokalne dekondenzacije kromatina. Afiniteta PARP-1 ni enaka do vseh histonov, največkrat je ADP-riboziliran histon H1. Poly ADP-ribozilacija pa ne vpliva le na popravljanje DNA ampak vpliva tudi na replikacijo, inaktivacijo transkripcije in rekombinacijo DNA.

Biotinilacija

Biološka funkcija biotinilacije še ni popolnoma znana. Znano je, da se biotinilacija histonov poveča ob odgovoru na celično proliferacijo v človeških limfocitih. Biotinilacija poraste že v G1 fazi celičnega cikla in se še poveča skozi kasnejše faze, proti koncu cikla pa spet upade. Raziskave na piščancih so pokazale, da je količina biotiniliranih histonov veliko višja v transkripcijsko neaktivnem kromatinu. To je dokaz da biotin sodeluje pri utišanju genske ekspresije. Znano je tudi da se biotinilacija histonov poveča ob celičnem odzivu na poškodbe DNA. S poskusi so dokazali, da se biotinilacija histonov poveča ob izpostavitvi celic UV svetlobi in ob prelomu dvojne vijačnice DNA. To nam pove, da je biotinilacija histonov signal za celico, da je DNA poškodovana. Ni pa še znano ali kakorkoli sodeluje tudi pri popravilu DNA ali vodi celico v apoptozo.

Karbonilacija

Karbonilacija je znana za histone H1, H2A, H2B in H3, na histonu H4 pa je raziskovalci še niso zasledili. Proces karboksilacije oksidira nekatere aminokisline na histonih in s tem zveča pozitivni naboj histona. Histoni s tem pridobijo še večjo afiniteto do DNK, kar vpliva na kondenziranost kromatina in na aktivacijo transkripcijskih faktorjev. Karbonilacija je neencimska reakcija. Deluje tudi na druge proteine v telesu, kar lahko privede do različnih poškodb. Karbonilacija histonov se zviša ob alkalnem stresu. Nekateri znanstveniki pa proučujejo tudi povezavo med padanjem oz. porastom karbonilacije ob različnih starostih osebka. Ugotovili so, da imajo starejše živali manjšo stopnjo karbonilacije. Najbrž to vpliva na transkripcijo, regulacijo genske ekspresije in popravne mehanizme.

Viri

1. http://sl.wikipedia.org/wiki/Histon

2. Bergmüller E, Gehrig PM, Gruissem W.: Characterization of post-translational modifications of histone H2B-variants isolated from Arabidopsis thaliana, 2007 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17691833)

3. Sharma R., Nakamura A., Takahashi R., Nakamoto H., Goto S. 2005. Carbonyl modification in rat liver histones: Decrease with age and increase by dietary restriction. Free Radical Biology & Medicine, 40:1179 – 1184 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16545685)

4. http://genomebiology.com/2001/2/4/reviews/0003

5. http://www.uni-lj.si/files/ULJ/userfiles/ulj/studij_na_univerzi/podiplomski_studij/biomedicina/Urniki1011/epigenetske_10.pdf

6. http://mcb.asm.org/cgi/content/short/25/16/6990

7. http://www.katalog-znanj.bf.uni-lj.si/vsebina/a/antr_arr.htm#aporepresor