Modyfikacje histonów

Modyfikacja histonów to kowalencyjna modyfikacja potranslacyjna (PTM) białek histonowych, która obejmuje metylację, fosforylację, acetylację, ubikwitylację i sumoilację. Modyfikacje PTM dokonywane na histonach mogą wpływać na ekspresję genów poprzez zmianę struktury chromatyny lub rekrutację modyfikatorów histonowych. Białka histonowe pakują DNA, które owija się wokół ośmiu histonów, w chromosomy. Modyfikacje histonów biorą udział w różnych procesach biologicznych, takich jak aktywacja/inaktywacja transkrypcji, pakowanie chromosomów oraz uszkodzenia/naprawa DNA. U większości gatunków histon H3 jest głównie acetylowany przy lizynach 9, 14, 18, 23 i 56, metylowany przy argininie 2 i lizynach 4, 9, 27, 36 i 79 oraz fosforylowany przy ser10, ser28, Thr3 i Thr11. Histon H4 jest głównie acetylowany na lizynach 5, 8, 12 i 16, metylowany na argininie 3 i lizynie 20 oraz fosforylowany na serynie 1. Tak więc ilościowe wykrywanie różnych modyfikacji histonów dostarczyłoby użytecznych informacji dla lepszego zrozumienia epigenetycznej regulacji procesów komórkowych i rozwoju leków ukierunkowanych na enzymy modyfikujące histony.

Acetylacja/deacetylacja histonów

Acetylacja histonów zachodzi poprzez enzymatyczne dodanie grupy acetylowej (COCH3) z acetylo-koenzymu A. Proces acetylacji histonów jest ściśle związany z regulacją wielu procesów komórkowych, w tym dynamiką chromatyny i transkrypcją, wyciszaniem genów, progresją cyklu komórkowego, apoptozą, różnicowaniem, replikacją DNA, naprawą DNA, importem jądrowym i represją neuronalną. Enzymy modyfikuj±ce bior±ce udział w acetylacji histonów nazywane s± acetylotransferazami histonowymi (HAT) i odgrywaj± kluczow± rolę w kontroli acetylacji histonów H3 i H4. Zidentyfikowano ponad 20 HAT, które można podzielić na pięć rodzin: GNAT1, MYST, TAFII250, P300/CBP oraz koaktywatory receptorów jądrowych, takie jak ACTR.1 Acetylacja histonu H3 może być zwiększona przez inhibicję deacetylaz histonowych (HDAC) i zmniejszona przez inhibicję HAT.

Deacetylazy histonowe (HDAC) katalizują hydrolityczne usuwanie grup acetylowych z reszt lizynowych histonów. Zaburzenie równowagi acetylacji histonów jest związane z procesem nowotworzenia i progresją nowotworów. Wykrycie, czy histon H3 jest acetylowany przy resztach lizynowych, dostarczy informacji przydatnych do dalszej charakterystyki wzorów i miejsc acetylacji, prowadz±c w ten sposób do lepszego zrozumienia epigenetycznej regulacji aktywacji genów, jak również do opracowania leków ukierunkowanych na HAT. Podobnie jak HAT, HDAC odgrywaj± krytyczn± rolę w różnych procesach komórkowych zachodz±cych z udziałem histonów H3 i H4. Do tej pory zidentyfikowano co najmniej 4 klasy HDAC. Klasa I HDAC obejmuje klasy 1, 2, 3 i 8. Klasa II HDAC obejmuje 4, 5, 6, 7, 9 i 10. Enzymy klasy III, znane jako sirtuiny, wymagają kofaktorów NAD+ i obejmują SIRT 1-7. Enzym klasy IV, który zawiera tylko HDAC11, posiada cechy zarówno klasy I, jak i II. Inhibicja HDAC wywiera istotny wpływ na apoptozę, zatrzymanie cyklu komórkowego i różnicowanie komórek nowotworowych. Inhibitory HDAC są obecnie opracowywane jako środki przeciwnowotworowe.2

Metylacja/demetylacja histonów

Metylacja histonów jest definiowana jako przeniesienie jednej, dwóch lub trzech grup metylowych z S-adenozylo-L-metioniny do reszt lizyny lub argininy białek histonowych przez metylotransferazy histonów (HMTs). HMT kontroluj± lub reguluj± metylację DNA poprzez zależn± od chromatyny represję lub aktywację transkrypcji. W jądrze komórkowym, gdy dochodzi do metylacji histonów, określone geny w obrębie DNA połączonego z histonem mogą być aktywowane lub wyciszane.3 Istnieje kilka różnych metylotransferaz histonowych, które są specyficzne dla modyfikowanych przez nie reszt lizyny lub argininy. Na przykład w przypadku histonu H3, SET1, SET7/9, Ash1, ALL-1, MLL, ALR, Trx i SMYD3 są metylotransferazami histonów, które katalizują metylację histonu H3 przy lizynie 4 (H3-K4) w komórkach ssaków. ESET, G9a, SUV39-h1, SUV39-h2, SETDB1, Dim-5 i Eu-HMTase są metylotransferazami histonów, które katalizują metylację histonu H3 przy lizynie 9 (H3-K9) w komórkach ssaków. G9a i enzymy z grupy polikomba, takie jak EZH2, są metylotransferazami histonów, które katalizują metylację histonu H3 przy lizynie 27 (H3-K27) w komórkach ssaków.4 Zarówno metylacja H3-K9, jak i H3-K27 pośredniczy w tworzeniu heterochromatyny, a także bierze udział w wyciszaniu ekspresji genów w miejscach euchromatycznych. Zwiększona globalna metylacja H3-K27 jest również zaangażowana w niektóre procesy patologiczne, takie jak progresja nowotworów.

Z drugiej strony, metylacja argininowa histonów H3 i H4 promuje aktywację transkrypcyjną i jest mediowana przez rodzinę białkowych metylotransferaz argininowych (PRMTs). U ludzi występuje 9 typów PRMT, ale tylko 7 z nich metyluje histony. Mogą one pośredniczyć w mono lub dimetylacji reszt argininowych. Na podstawie pozycji przyłączenia grupy metylowej, PRMTs można podzielić na typ I (CARM1, PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT6 i PRMT8) oraz typ II (PRMT5 i PRMT7). PRMT typu II są silnie zaangażowane w choroby takie jak nowotwory.5 Na przykład PRMT5 odgrywa rolę w represji niektórych genów supresorowych nowotworów, takich jak supresor nowotworów RB, podczas gdy nadekspresja PRMT7 jest obserwowana w raku piersi. Wykrywanie aktywności i inhibicji PRMT typu II, jak również innych HMT, byłoby ważne w wyjaśnianiu mechanizmów epigenetycznej regulacji aktywacji i wyciszania genów, jak również korzystne dla diagnostyki i terapii nowotworów.

Demetylacja histonów to usuwanie grup metylowych w zmodyfikowanych białkach histonowych za pośrednictwem demetylaz histonowych. Stwierdzono, że demetazy te mają potencjalne funkcje onkogenne oraz udział w innych procesach patologicznych. Odkrycie demetylaz histonowych dowodzi, że metylacja histonów nie jest modyfikacją trwałą, ale raczej procesem bardziej dynamicznym. Odkryto dwie główne rodziny demetylaz: Lysine specific demethylase 1 (LSD1) i Jumonji domain containing (JmjC domain) histone demethylases (JMJD2, JMJD3/UTX i JARIDs). Konkretna reszta aminokwasowa i stopień metylacji determinuje enzym demetylacyjny. Na przykład, na histonie H3, mono- i di-metylowana lizyna 4 jest demetylowana przez LSD1 (BHC110, KDM1), a tri-metylowana lizyna 4 przez JARID (1A-1D); di- i tri-metylowana lizyna 27 są demetylowane przez JMJD3 i UTX (KDM6A), a mono- i di-metylowana lizyna 9 jest demetylowana przez JMJD1, a tri-metylowana lizyna 9 jest demetylowana przez JMJD2.6 Zahamowanie demetylaz histonowych może prowadzić do ponownej metylacji histonów w specyficznych resztach ważnych dla dynamiki chromatyny i ekspresji genów. Ponadto, wykrywanie aktywności i hamowanie tych enzymów byłoby ważne w wyjaśnianiu mechanizmów epigenetycznej regulacji aktywacji i wyciszania genów i może przynieść korzyści w diagnostyce i terapii nowotworów.

Czy chcesz poznać kolejny mechanizm epigenetyczny? Czytaj dalej: Niekodujące RNA

.