Een histonmodificatie is een covalente post-translationele modificatie (PTM) in histon-eiwitten, waaronder methylering, fosforylering, acetylering, ubiquitylering, en sumoylering. De PTM’s die aan histon-eiwitten worden aangebracht kunnen de genexpressie beïnvloeden door de chromatinestructuur te veranderen of histon-modificatoren aan te trekken. Histon-eiwitten verpakken DNA, dat zich rond de acht histon-eiwitten wikkelt, in chromosomen. Histon-modificaties spelen een rol in diverse biologische processen, zoals activering/inactivering van transcriptie, verpakking van chromosomen, en beschadiging/herstel van DNA. In de meeste soorten wordt histon H3 voornamelijk geacetyleerd op de lysines 9, 14, 18, 23 en 56, gemethyleerd op arginine 2 en de lysines 4, 9, 27, 36 en 79, en gefosforyleerd op ser10, ser28, Thr3, en Thr11. Histon H4 is voornamelijk geacetyleerd op de lysines 5, 8, 12 en 16, gemethyleerd op arginine 3 en lysine 20, en gefosforyleerd op serine 1. Kwantitatieve detectie van verschillende histonmodificaties zou dus nuttige informatie opleveren voor een beter begrip van epigenetische regulering van cellulaire processen en de ontwikkeling van geneesmiddelen gericht op histonmodificerende enzymen.
Histonacetylering/Deacetylering
Histonacetylering treedt op door de enzymatische toevoeging van een acetylgroep (COCH3) uit acetylco-enzym A. Het proces van histonacetylering is nauw betrokken bij de regulering van vele cellulaire processen, waaronder chromatine dynamiek en transcriptie, gen silencing, celcyclus progressie, apoptose, differentiatie, DNA replicatie, DNA reparatie, nucleaire import, en neuronale repressie. De modificerende enzymen die betrokken zijn bij histonacetylering worden histonacetyltransferasen (HAT’s) genoemd en zij spelen een cruciale rol bij de controle van de acetylering van histon H3 en H4. Er zijn meer dan 20 HAT’s geïdentificeerd die in vijf families kunnen worden ingedeeld: GNAT1, MYST, TAFII250, P300/CBP, en nucleaire receptor coactivatoren zoals ACTR.1 Histon H3 acetylering kan worden verhoogd door remming van histon deacetylases (HDACs) en verlaagd door HAT remming.
Histon deacetylaces (HDACs) katalyseren de hydrolytische verwijdering van acetylgroepen van histon lysine residuen. Een onbalans in het evenwicht van histon acetylering wordt in verband gebracht met tumorigenese en kankerprogressie. Detecteren of histon H3 geacetyleerd is op zijn lysine residuen zou nuttige informatie opleveren voor verdere karakterisering van acetylatiepatronen of -plaatsen, wat zou leiden tot een beter begrip van epigenetische regulatie van genactivatie, alsook de ontwikkeling van HAT-gerichte geneesmiddelen. Net als HAT’s spelen HDAC’s een cruciale rol in verschillende cellulaire processen waarbij histon H3 en H4 betrokken zijn. Tot dusver zijn ten minste 4 klassen van HDAC’s geïdentificeerd. Klasse I HDAC’s omvatten 1, 2, 3 en 8. De HDAC’s van klasse II omvatten 4, 5, 6, 7, 9 en 10. Klasse III-enzymen, bekend als sirtuïnes, vereisen NAD+ cofactoren en omvatten SIRT’s 1-7. Het enzym van klasse IV, dat alleen HDAC11 bevat, heeft kenmerken van zowel klasse I als klasse II. HDAC-remming heeft belangrijke effecten op apoptose, celcyclusstilstand en differentiatie in kankercellen. HDAC-remmers worden momenteel ontwikkeld als antikankermiddelen.2
Uittrek uw nucleaire eiwitten uit uw interessante monster, gebruik dan een ELISA-achtige methode om de hoeveelheid HDAC-eiwitten te meten, of de activiteitsniveaus van HDAC of activiteitsniveaus van HAT.
Histonmethylering/Demethylering
Histonmethylering wordt gedefinieerd als de overdracht van een, twee of drie methylgroepen van S-adenosyl-L-methionine naar lysine- of arginineresiduen van histon-eiwitten door histonmethyltransferasen (HMT’s). HMT’s controleren of reguleren DNA-methylering door chromatine-afhankelijke transcriptionele repressie of activering. Wanneer in de celkern histon-methylering optreedt, kunnen specifieke genen in het met het histon gecomplexeerde DNA worden geactiveerd of uitgeschakeld.3 Er bestaan verschillende histon-methyl-transferasen die specifiek zijn voor het lysine- of arginineresidu dat zij modificeren. Voor histon H3 bijvoorbeeld zijn SET1, SET7/9, Ash1, ALL-1, MLL, ALR, Trx en SMYD3 histon-methyltransferasen die de methylering van histon H3 op lysine 4 (H3-K4) in zoogdiercellen katalyseren. ESET, G9a, SUV39-h1, SUV39-h2, SETDB1, Dim-5 en Eu-HMTase zijn histon-methyltransferases die de methylering van histon H3 op lysine 9 (H3-K9) in zoogdiercellen katalyseren. G9a en polycomb-groep enzymen zoals EZH2 zijn histon-methyltransferases die methylering van histon H3 op lysine 27 (H3-K27) katalyseren in zoogdiercellen.4 Zowel H3-K9 als H3-K27 methylering medieert de vorming van heterochromatine en neemt ook deel aan het stilleggen van genexpressie op euchromatische plaatsen. Verhoogde globale H3-K27 methylering blijkt ook betrokken te zijn bij sommige pathologische processen zoals kankerprogressie.
Anderzijds bevordert arginine methylering van de histonen H3 en H4 de transcriptionele activering en wordt gemedieerd door een familie van proteïne arginine methyltransferasen (PRMTs). Er zijn 9 soorten PRMT’s bij de mens gevonden, maar slechts 7 leden ervan zouden histonen methyleren. Zij kunnen mono- of dimethylering van arginineresiduen bewerkstelligen. Op basis van de positie van de toevoeging van de methylgroep kunnen PRMT’s worden ingedeeld in type I (CARM1, PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT6, en PRMT8) en type II (PRMT5 en PRMT7). Type II PRMT’s blijken sterk betrokken te zijn bij ziekten als kanker.5 Zo speelt PRMT5 een rol bij de repressie van bepaalde tumorsuppressorgenen zoals RB tumorsuppressoren, terwijl PRMT7-overexpressie wordt waargenomen bij borstkanker. Detectie van activiteit en remming van type II PRMT’s evenals andere HMT’s zou belangrijk zijn bij het ophelderen van mechanismen van epigenetische regulering van genactivering en -uitschakeling, alsook ten goede komen aan kankerdiagnostiek en -therapieën.
Start met het isoleren van uw histon-eiwitten uit uw interessante monsters, selecteer vervolgens een geschikte ELISA-kit om histon-methyleringsniveaus te detecteren.
Histon-demethylering is de verwijdering van methylgroepen in gewijzigde histon-eiwitten via histon-demethylasen. Deze demethylases blijken potentiële oncogene functies te hebben en betrokken te zijn bij andere pathologische processen. De ontdekking van histon demethylases toont aan dat histon methylering geen permanente modificatie is maar veeleer een dynamischer proces. Er zijn twee grote families van demethylasen ontdekt: Lysine specifiek demethylase 1 (LSD1) en Jumonji domein houdende (JmjC domein) histon demethylases (JMJD2, JMJD3/UTX en JARIDs). Het specifieke aminozuurresidu en de mate van methylering zijn bepalend voor het demethyleringsenzym. Op histon H3 bijvoorbeeld worden mono- en di-gemethyleerd lysine 4 gedemethyleerd door LSD1 (BHC110, KDM1) en tri-gemethyleerd lysine 4 door JARID (1A-1D); di- en tri-methyleerde lysine 27 worden gedemethyleerd door JMJD3 en UTX (KDM6A) en mono- en di-gemethyleerde lysine 9 worden gedemethyleerd door JMJD1 en tri-methyleerde lysine 9 wordt gedemethyleerd door JMJD2.6 Remming van histon demethylases kan leiden tot histon re-methylering op specifieke residuen die belangrijk zijn voor de chromatine dynamiek en genexpressie. Bovendien zou detectie van de activiteit en remming van deze enzymen belangrijk zijn voor het ophelderen van mechanismen van epigenetische regulering van genactivering en -uitschakeling en kan dit de diagnostiek en therapie van kanker ten goede komen.
Extraheer uw nucleaire eiwitten uit uw interessante monster, gebruik dan een ELISA-gebaseerde techniek om de activiteit en inhibitie niveaus van histon demethylases van de LSD1 en JmjC-domein families te onderzoeken.
Klaar om meer te leren over een ander epigenetisch mechanisme? Lees verder: Niet-coderend RNA
