Histon-modificirajući enzimi jesu enzimi uključeni u modifikaciju histonskih supstrata nakon translacije proteina i utiču na ćelijske procese uključujući ekspresiju gena. Da bi se sigurno pohranio eukariotski genom, DNK je omotana oko četiri osnovna histonska proteina (H3, H4, H2A, H2B), koji se zatim spajaju i formiraju nukleosome. Ovi nukleosomi dalje se savijaju u visoko kondenzovani hromatin, što čini genetički materijal organizma daleko manje dostupnim faktorima potrebnim za transkripciju gena, replikaciju DNK, rekombinaciju i popravku DNK. Nakon toga, eukariotski organizmi razvili su složene mehanizme za prevazilaženje ove represivne barijere koju nameće hromatin, putem modifikacija histona, vrste posttranslacijske modifikacije koja obično uključuje kovalentno vezivanje određenih grupa za histonske ostatke. Nakon što se dodaju histonu, ove grupe (direktno ili indirektno) izazivaju ili labavu i otvorenu histonsku konformaciju, euhromatin, ili čvrstu i zatvorenu histonsku konformaciju, heterohromatin. Euhromatin označava aktivnu transkripciju i ekspresiju gena, jer lagano pakovanje histona na ovaj način omogućava ulazak proteinima uključenim u proces transkripcije. Kao takav, čvrsto pakovani heterohromatin označava odsustvo trenutne ekspresije gena.

Iako postoji nekoliko različitih posttranslacijskih modifikacija za histone, četiri najčešće modifikacije histona uključuju acetilaciju i deacetilaciju histona, metilaciju, fosforilaciju i ubikvitinaciju. Histon-modificirajući enzimi koji induciraju modifikaciju (npr. dodaju funkcionalnu grupu) nazivaju se pisačima, dok se enzimi koji vraćaju modifikacije nazivaju brisačima. Nadalje, postoje mnoge neuobičajene modifikacije histona, uključujući O-GlcNAcilaciju, sumoilaciju, ADP-ribozilaciju, citrullination i prolin-izomerizaciju. Za detaljan primjer modifikacija histona u regulaciji transkripcije pogledajte Kontrola RNK-polimeraze strukturom hromatina i tabelu "Histon".

Uobičajene modifikacije histona Četiri uobičajene modifikacije histona i njihovi odgovarajući enzimi za pisanje i brisanje prikazani su u tabeli ispod. ModifikacijaPisač(i)Brisač(i)Uticaj na DNKAcetilacijaHiston-acetiltransferaze (HAT)Histon-deacetilaze (HDAC)Povećava transkripciju genaMetilacijaHiston-metiltransferaze (HMT)Histonske demetilaze (KDM)Povećava ili smanjuje transkripciju genaFosforilacijaProteinske kinaze (PTK)Proteinske fosfataze (PP)Povećava transkripciju gena i ima ulogu u popravci DNK i dioba ćelijaUbikvitinacijaUbikvitin-ligazaDeubikvitinirajući enzimi (DUB)Povećava ili smanjuje transkripciju gena i ima ulogu u popravci DNK

Acetilacija thumb|upright=1.15|Dinamičko stanje acetilacije/deacetilacije histona regulirano je enzimima HAT i HDAC; acetilacija histona mijenja dostupnost hromatina. Acetilacija histona, ili dodavanje acetilne grupe histonima, olakšava se histonskim acetiltransferazama (HAT) koje ciljaju ostatke lizina (K) na N-terminalnom repu histona. Histonske deacetilaze (HDAC) olakšavaju uklanjanje takvih grupa. Pozitivno naelektrisanje na histonu uvijek se neutralizira nakon acetilacije, stvarajući euhromatin, koji povećava transkripciju i ekspresiju ciljnog gena. Lizinski ostaci 9, 14, 18 i 23 osnovnog histona H3 i ostaci 5, 8, 12 i 16 histona H4 svi su meta acetilacije.

Metilacija Metilacija histona uključuje dodavanje metil grupa histonima, prvenstveno na ostatke lizin (K) ili arginin (R). Dodavanje i uklanjanje metil grupa vrši se pomoću histonskih metiltransferaza (HMT) i histonskih demetilaza (KDM), respektivno. Metilacija histona je odgovorna za aktivaciju ili represiju gena, ovisno o ciljnom mjestu, i igra važnu ulogu u razvoju i učenju.

Fosforilacija thumb|upright=0.7.0|Fosforilna grupa prikazana je plavom bojom. Fosforilacija histona javlja se kada se fosforilna grupa doda histonu. Protein-kinaze (PTK) katalizuju fosforilaciju histona, a proteinske fosfataze (PP) katalizuju defosforilaciju histona. Slično kao i acetilacija histona, fosforilacija histona neutralizira pozitivni naboj na histonima, što inducira euhromatin i povećava ekspresiju gena. Fosforilacija histona događa se na ostacima aminokiselina serina (S), treonina (T) i tirozina (Y) uglavnom u N-terminalnim histonskim repovima. Dodatno, utvrđeno je da fosforilacija histona ima ulogu u popravci DNK i kondenzaciji hromatina tokom ćelijske diobe. Jedan takav primjer je fosforilacija S139 na H2AX histonima, koja je potrebna za popravak dvostrukih prekida u DNK.

Ubikvitinacija Ubikvitinacija je posttranslacijska modifikacija koja uključuje dodavanje ubikvitinskih proteina na ciljne proteine. Histoni su često ubikvitinirani s jednom molekulom ubikvitina (monoubikvitinacija), ali se mogu modificirati i s ubikvitinskim lancima (poliubikvitinacija), a oba mogu imati različite efekte na transkripciju gena. Ubikvitin ligaze dodaju ove ubikvitinske proteine dok deubikvitinirajući enzimi (DUB) uklanjaju ove grupe. Ubikvitinacija histona H2A jezgra obično potiskuje ekspresiju gena jer sprječava metilaciju na H3K4, dok je ubikvitinacija H2B neophodna za metilaciju H3K4 i može dovesti i do aktivacije ili do represije gena. Osim toga, ubikvitinacija histona povezana je s održavanjem genoma, budući da je ubikvitinacija histona H2AX uključena u oštećenje DNK prepoznavanjem dvostrukih prekida lanca DNK.

Neuobičajene modifikacije histona Dodatne rijetke modifikacije histona i njihovi efekti navedeni su u tabeli ispod. ModifikacijaPisač(i)Brisač(i)Uticaj na DNKO-GlcNAcilacijaO-GlcNAc transferaza (OGT)O-GlcNAkaza (OGA)Povećava ili smanjuje transkripciju posredovanjem dodatnih modifikacija histonaSumoilacijaE3 SUMO ligazeSUMO-specifične proteazePovećava ili smanjuje transkripciju i igra ulogu u popravci DNKADP-ribozilacijaPoli-ADP riboza polimeraza 1 (PARP-1)(Adp-ribozil)hidrolaze ARH1 i ARH3Smanjuje transkripciju prilikom označavanja specifičnih mjesta DNK za popravakCitrulinacija Protein arginin deiminaza 4 (PAD4) Nema poznatog brisača Smanjuje transkripciju uklanjanjem mjesta metilacijeIzomerizacija prolina Fpr4 Fpr4 Povećava ili smanjuje transkripciju prebacivanjem između izomera H3P38 (trans i cis respektivno) O-GlcNAcilacija

Poznato je da prisustvo O-GlcNAcilacije (O-GlcNAc) na histonskim ostacima serin (S) i treonin (T) posreduje u drugim posttranskripcijskim modifikacijama histona. Dodavanje i uklanjanje GlcNAc grupa vrši se pomoću O-GlcNAc transferaze (OGT), odnosno O-GlcNAkaze (OGA). Iako je razumijevanje ovih procesa ograničeno, utvrđeno je da GlcNAcilacija S112 na osnovnom histonu H2B podstiče monoubikvitinaciju K120. Slično tome, OGT povezuje se sa kompleksom HCF1 koji interreaguje sa BAP1, kako bi posredovao u deubikvitinaciji H2A. OGT je također uključen u trimetilaciju H3K27 i stvara korepresorski kompleks koji promovira deacetilaciju histona nakon vezivanja za SIN3A.

Sumoilacija SUMOilacija odnosi se na dodavanje proteina malog ubikvitinu sličnog modifikatora (SUMO) na histone. SUMOilacija uključuje kovalentne veze između SUMO proteina i ostataka lizina (K) na histonima i provodi se u tri glavna koraka pomoću tri odgovarajuća enzima: aktivacija putem SUMO E1, konjugacija putem SUMO E2 i ligacija putem SUMO E3. Kod ljudi, SUMO E1 je identificiran kao heterodimer SAE1/SAE2, SUMO E2 je poznat kao UBE2I, a uloga SUMO E3 može biti multiproteinski kompleks koji ima nekoliko različitih enzima.

SUMOilacija utiče na status hromatina (labavost) histona i utiče na sastavljanje transkripcijskih faktora na genetičim promotorima, što dovodi do transkripcijske represije ili aktivacije, ovisno o supstratu. SUMOilacija također ima ulogu u glavnim putevima popravke DNK, kao što su popravka ekscizijom baza, popravka ekscizijom nukleotida, spajanje nehomolognih krajeva i popravka homolognom rekombinacijom . Osim toga, SUMOilacija olakšava translezijsku sintezu sklonu greškama.

ADP-ribozilacija

ADP-ribozilacija (ADPr) definiše dodavanje jedne ili više adenozin difosfat riboza (ADP-riboza) grupa na protein. ADPr važan je mehanizam u regulaciji gena koji utiče na organizaciju hromatina, vezivanje transkripcijskih faktora i obradu iRNK putem poli-ADP riboza-polimeraze (PARP). Postoje više vrsta PARP proteina, ali potklasa DNK-zavisnih PARP proteina, uključujući PARP-1, PARP-2 i PARP-3, interreaguje sa histonom. Enzim PARP-1 najistaknutiji je od ova tri proteina u kontekstu regulacije gena i interaguje sa svih pet histonskih proteina. Poput PARP-ova 2 i 3, katalitska aktivnost PARP-1 aktivira se diskontinuiranom fragmentima DNK, fragmentima DNK sa prekidima jednog lanca. PARP-1 veže histone blizu ose gdje DNK ulazi i izlazi iz nukleosoma, a dodatno interreaguje s brojnim proteinima povezanim s hromatinom, što omogućava indirektno povezivanje s hromatinom. Nakon vezivanja za hromatin, PARP-1 proizvodi represivne histonske oznake koje mogu promijeniti konformacijsko stanje histona i inhibirati ekspresiju gena, tako da se može odvijati popravka DNK. Drugi putevi regulacije transkripcije putem PARP-1 uključuju djelovanje feaktora kao što je transkripcijski koregulator, regulaciju RNK i modulaciju metilacije DNK putem inhibicije DNK- metiltransferaze Dnmt1.

Citrulinacija

Citrulinacija, ili deiminacija, proces je kojim se aminokiselina arginin (R) pretvara u citrulin. Protein arginin deiminaze (PAD) zamjenjuju ketimin sku grupu arginina sa ketonskom grupom, da bi se formirao citrulin. PAD4 jeste deaminaza uključena u modifikaciju histona i pretvara arginin u citrulin na histonima H3 i H4; Budući da je arginin metilacija na ovim histonima važan za transkripcijsku aktivaciju, citrulinacija određenih ostataka može uzrokovati eventualni gubitak metilacije, što dovodi do smanjene transkripcije gena; specifična citrulinacija ostataka H3R2, H3R8, H3R17 i H3R26 identificirana je u ćelijama raka dojke. Prema istraživanju provedenom 2019. godine, smatra se da je ovaj proces nepovratan.

Izomerizacija prolina

Izomerizacija uključuje transformaciju molekule, tako da usvoji drugačiju strukturnu konformaciju; Izomerizacija prolina ima integralnu ulogu u modifikaciji histonskih repova. Fpr4 je enzim prolil izomeraze (PPIase) koji pretvara aminokiselinu prolin (P) na histonima između cis i trans konformacija. Dok Fpr4 ima katalitsku aktivnost na brojnim prolinima na N-terminalnoj regiji središnjeg histona H3 (P16, P30 i P38), najlakše se veže za P38. H3P38 se nalazi blizu ostatka lizin (K) H3K36, a promjene u P38 mogu uticati na status metilacije K36. Dva moguća dostupna izomera P38, cis i trans, uzrokuju različite efekte koji su međusobno suprotni. Cis položaj inducira kompaktne histone i smanjuje sposobnost proteina da se vežu za DNK, čime se sprečava metilacija K36 i smanjuje transkripcija gena. Suprotno tome, trans položaj P38 promovira otvoreniju konformaciju histona, omogućavajući metilaciju K36 i dovodeći do povećane transkripcije gena.

Klinički značaj

Kancer Promjene u funkcijama enzima koji modificiraju histone dereguliraju kontrolu procesa baziranih na hromatinu, što u konačnici dovodi do onkogene transformacije i raka. I metilacija DNK i modifikacije histona pokazuju obrasce distribucije u ćelijama raka. Ove epigenetičke promjene mogu se pojaviti u različitim fazama tumourigeneze i tako doprinijeti i razvoju i/ili progresiji raka.

Ostala istraživanja Pokazalo se da nedostatak vitamina B12 kod miševa mijenja ekspresiju enzima koji modificiraju histone u mozgu, što dovodi do promjena u ponašanju i epigenetičkog reprogramiranja. Dokazi također pokazuju važnost HDAC u regulaciji metabolizma lipida i drugih metaboličkih puteva koji igraju ulogu u patofiziologiji metaboličkih poremećaja.

Također pogledajte DNK Histon Nukleosom Hromatin Euhromatin Heterohromatin Acetilacija i deacetilacija histona Metilacija histona Fosforilacija proteina Ubikvitin O-GlcNAc Sumoilacija ADP-ribozilacija Citrulinacija

Reference

Kategorija:Epigenetika Kategorija:Proteini Kategorija:Enzimi