Histon-Acetyltransferase (HATs)Bearbeiten
Histon-Acetyltransferasen, auch als HATs bekannt, sind eine Familie von Enzymen, die die Histonschwänze des Nukleosoms acetylieren. Diese und andere Modifikationen werden in Abhängigkeit von den verschiedenen Zuständen der zellulären Umgebung durchgeführt. Viele Proteine mit Acetylierungsfähigkeiten wurden dokumentiert und nach einer gewissen Zeit auf der Grundlage von Sequenzähnlichkeiten untereinander kategorisiert. Diese Ähnlichkeiten sind bei den Mitgliedern einer Familie sehr groß, aber die Mitglieder verschiedener Familien weisen nur sehr geringe Ähnlichkeiten auf. Einige der wichtigsten Familien, die bisher identifiziert wurden, sind die folgenden.
GNAT-FamilieEdit
General Control Non-Derepressible 5 (Gcn5) -related N-Acetyltransferases (GNATs) ist eine der vielen untersuchten Familien mit Acetylierungsfähigkeiten. Zu dieser Superfamilie gehören die Faktoren Gcn5, die zu den SAGA-, SLIK-, STAGA-, ADA- und A2-Komplexen gehören, Gcn5L, p300/CREB-binding protein associated factor (PCAF), Elp3, HPA2 und HAT1. Zu den wichtigsten Merkmalen der GNAT-Familie gehören HAT-Domänen mit einer Länge von etwa 160 Resten und eine konservierte Bromodomäne, die sich als Acetyl-Lysin-Zielmotiv erwiesen hat. Es hat sich gezeigt, dass Gcn5 Substrate acetyliert, wenn es Teil eines Komplexes ist. Es hat sich gezeigt, dass rekombinantes Gcn5 an der Acetylierung der H3-Histone des Nukleosoms beteiligt ist. In geringerem Maße ist es auch an der Acetylierung von H2B- und H4-Histonen beteiligt, wenn es mit anderen Komplexen zusammenarbeitet. PCAF ist in der Lage, als HAT-Protein zu agieren und Histone zu acetylieren, es kann auch Nicht-Histon-Proteine, die mit der Transkription in Verbindung stehen, acetylieren und als Co-Aktivator in vielen Prozessen wie der Myogenese, der durch Kernrezeptoren vermittelten Aktivierung und der durch Wachstumsfaktoren signalisierten Aktivierung fungieren. Elp3 ist in der Lage, alle Histon-Untereinheiten zu acetylieren und ist auch am Holoenzym der RNA-Polymerase II beteiligt.
MYST-FamilieEdit
MOZ (Monocytic Leukemia Zinc Finger Protein), Ybf2/Sas3, Sas2 und Tip60 (Tat Interacting Protein) bilden zusammen MYST, eine weitere bekannte Familie, die acetylierende Fähigkeiten aufweist. Zu dieser Familie gehören Sas3, die essenzielle SAS-bezogene Acetyltransferase (Esa1), Sas2, Tip60, MOF, MOZ, MORF und HBO1. Die Mitglieder dieser Familie haben vielfältige Funktionen, nicht nur bei der Aktivierung und dem Silencing von Genen, sondern beeinflussen auch die Entwicklung und haben Auswirkungen auf menschliche Krankheiten. Sas2 und Sas3 sind am Transkriptions-Silencing beteiligt, MOZ und TIF2 sind an der Bildung von leukämischen Translokationsprodukten beteiligt, während MOF in Drosophila am Dosierungsausgleich beteiligt ist. MOF beeinflusst auch die Spermatogenese bei Mäusen, da es an der Ausweitung der H2AX-Phosphorylierung während der Leptotene- bis Pachytene-Stadien der Meiose beteiligt ist. Die HAT-Domänen dieser Familie bestehen aus etwa 250 Resten, die sowohl cysteinreiche, zinkbindende Domänen als auch N-terminale Chromodomänen umfassen. Die MYST-Proteine Esa1, Sas2 und Sas3 kommen in Hefe vor, MOF kommt in Drosophila und Mäusen vor, während Tip60, MOZ, MORF und HBO1 beim Menschen vorkommen. Tip60 spielt eine Rolle bei der Regulierung der Gentranskription, HBO hat einen Einfluss auf den DNA-Replikationsprozess, MORF ist in der Lage, freie Histone (insbesondere H3 und H4) sowie nukleosomale Histone zu acetylieren.
p300/CBP-FamilieBearbeiten
Das 300kDa-assoziierte Protein des Adenovirus E1A (p300) und das CREB-bindende Protein (CBP) bilden die nächste Familie von HATs. Diese HAT-Familie enthält HAT-Domänen, die etwa 500 Reste lang sind und Bromodomänen sowie drei cystein-histidinreiche Domänen enthalten, die bei Proteininteraktionen helfen. Diese HATs sind dafür bekannt, dass sie alle Histonuntereinheiten im Nukleosom acetylieren. Sie sind auch in der Lage, Nicht-Histon-Proteine, die an der Transkription beteiligt sind, zu acetylieren und zu vermitteln, und sind auch am Zellzyklus, der Differenzierung und der Apoptose beteiligt.
Andere HATsBearbeiten
Es gibt noch andere Proteine, die acetylierende Fähigkeiten haben, sich aber in ihrer Struktur von den zuvor genannten Familien unterscheiden. Ein HAT ist der Steroidrezeptor-Coaktivator 1 (SRC1), der eine HAT-Domäne am C-terminalen Ende des Proteins zusammen mit einer basischen Helix-Schleifen-Helix und PAS-A- und PAS-B-Domänen mit einem LXXLL-Rezeptor-interagierenden Motiv in der Mitte aufweist. Ein weiteres ist ATF-2, das eine Transkriptionsaktivierungsdomäne (ACT) und eine DNA-Bindungsdomäne (bZip) mit einer dazwischen liegenden HAT-Domäne enthält. Das letzte ist TAFII250, das eine Kinase-Domäne am N-Terminus, zwei Bromodomänen am C-Terminus und eine HAT-Domäne dazwischen aufweist.
Histon-Deacetylase (HDACs)Bearbeiten
Es gibt insgesamt vier Klassen, die Histon-Deacetylasen (HDACs) kategorisieren. Zur Klasse I gehören die HDACs 1, 2, 3 und 8. Klasse II ist in zwei Untergruppen unterteilt, Klasse IIA und Klasse IIB. Zur Klasse IIA gehören die HDACs 4, 5, 7 und 9, zur Klasse IIB die HDACs 6 und 10. Klasse III enthält die Sirtuine und Klasse IV enthält nur HDAC11. Die Klassen der HDAC-Proteine werden auf der Grundlage des Vergleichs mit den Sequenzhomologien von Rpd3, Hos1 und Hos2 für die HDACs der Klasse I, von HDA1 und Hos3 für die HDACs der Klasse II und von den Sirtuinen für die HDACs der Klasse III unterteilt und gruppiert.
Klasse I HDACsBearbeiten
HDAC1 & HDAC2Bearbeiten
HDAC1 & HDAC2 sind in der ersten Klasse der HDACs am engsten miteinander verwandt. Bei der Analyse der Gesamtsequenzen beider HDACs wurde eine Ähnlichkeit von etwa 82 % festgestellt. Diese Enzyme erwiesen sich isoliert als inaktiv, was zu der Schlussfolgerung führte, dass sie mit Cofaktoren verbunden sein müssen, um ihre Deacetylase-Fähigkeiten zu aktivieren. Es gibt drei wichtige Proteinkomplexe, in die sich HDAC 1 & 2 einbinden kann. Zu diesen Komplexen gehören Sin3 (benannt nach seinem charakteristischen Protein mSin3A), der Nucleosome Remodelling and Deacetylating Complex (NuRD) und Co-REST. Der Sin3-Komplex und der NuRD-Komplex enthalten beide die HDACs 1 und 2, das Rb-assoziierte Protein 48 (RbAp48) und RbAp46, die den Kern des jeweiligen Komplexes bilden. Es können jedoch noch weitere Komplexe erforderlich sein, um die größtmögliche verfügbare Aktivität auszulösen. Die HDACs 1 und 2 können auch direkt an DNA-bindende Proteine wie Yin und Yang 1 (YY1), Rb-Bindungsprotein 1 und Sp1 binden. Es wurde festgestellt, dass die HDACs 1 und 2 eine regulierende Rolle bei wichtigen Zellzyklusgenen wie p21 spielen.
Die Aktivität dieser HDACs kann durch Phosphorylierung beeinflusst werden. Eine erhöhte Phosphorylierung (Hyperphosphorylierung) führt zu einer erhöhten Deacetylase-Aktivität, beeinträchtigt jedoch die Komplexbildung zwischen HDACs 1 und 2 sowie zwischen HDAC1 und mSin3A/YY1. Eine geringere als die normale Phosphorylierungsmenge (Hypophosphorylierung) führt zu einem Rückgang der Deacetylase-Aktivität, erhöht aber die Komplexbildung. Mutationsstudien ergaben, dass die Hauptphosphorylierung an den Resten Ser421 und Ser423 stattfindet. Wenn diese Reste mutiert waren, wurde eine drastische Verringerung der Deacetylierungsaktivität festgestellt. Dieser Unterschied im Phosphorylierungszustand ist eine Möglichkeit, ein optimales Phosphorylierungsniveau aufrechtzuerhalten, um eine Über- oder Unterexpression der Deacetylierung zu verhindern. Die HDACs 1 und 2 wurden ausschließlich im Zellkern gefunden. Bei HDAC1-Knockout-Mäusen (KO-Mäusen) wurde festgestellt, dass die Mäuse während der Embryogenese sterben und eine drastische Verringerung der Produktion, aber eine erhöhte Expression der zyklinabhängigen Kinase-Inhibitoren (CDKIs) p21 und p27 aufweisen. Nicht einmal die Hochregulierung der anderen Klasse-I-HDACs konnte den Verlust von HDAC1 ausgleichen. Diese Unfähigkeit, sich von HDAC1 KO zu erholen, veranlasst die Forscher zu der Annahme, dass es sowohl funktionelle Einzigartigkeit für jeden HDAC als auch regulatorische Überschneidungen zwischen den Faktoren gibt.
HDAC3Edit
HDAC3 ist nachweislich am engsten mit HDAC8 verwandt. HDAC3 enthält eine nicht konservierte Region im C-terminalen Bereich, die für die Transkriptionsunterdrückung und die Deacetylase-Aktivität erforderlich ist. Außerdem enthält es zwei Regionen, ein so genanntes Nuclear Localization Signal (NLS) und ein Nuclear Export Signal (NES). Das NLS fungiert als Signal für die Kernaktivität, während das NES bei HDACs, die außerhalb des Zellkerns wirken, zum Einsatz kommt. Das Vorhandensein beider Signale für HDAC3 deutet darauf hin, dass es zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma wandert. Es wurde sogar festgestellt, dass HDAC3 mit der Plasmamembran interagiert. Die SMRT-Rezeptoren (Silencing Mediator for Retinoic Acid and Thyroid Hormone) und die N-CoR-Faktoren (Nuclear Receptor Co-Repressor) müssen von HDAC3 genutzt werden, um ihn zu aktivieren. Dadurch erlangt er die Fähigkeit, sich mit den HDACs 4, 5 und 7 zu kopräzipitieren. HDAC3 kann auch zusammen mit dem HDAC-verwandten Protein (HDRP) komplexiert werden. Es wurde festgestellt, dass die HDACs 1 und 3 Rb-RbAp48-Interaktionen vermitteln, was darauf schließen lässt, dass sie bei der Zellzyklusprogression eine Rolle spielen. HDAC3 ist auch an der Selbsterneuerung von Stammzellen beteiligt und spielt eine transkriptionsunabhängige Rolle in der Mitose.
HDAC8Edit
HDAC8 ist HDAC3 am ähnlichsten. Sein Hauptmerkmal ist seine katalytische Domäne, die in der Mitte eine NLS-Region enthält. Es wurden zwei Transkripte dieses HDACs gefunden, ein 2,0kb-Transkript und ein 2,4kb-Transkript. Im Gegensatz zu den anderen HDAC-Molekülen erwies sich dieser HDAC nach der Reinigung als enzymatisch aktiv. Da er erst kürzlich entdeckt wurde, ist noch nicht bekannt, ob er durch Co-Repressor-Protein-Komplexe reguliert wird. Nördliche Blots haben gezeigt, dass verschiedene Gewebetypen eine unterschiedlich starke Expression von HDAC8 aufweisen, aber in der glatten Muskulatur beobachtet wurde und vermutlich zur Kontraktilität beiträgt.
HDACs der Klasse IIBearbeiten
Klasse IIBearbeiten
Die HDACs der Klasse IIA umfassen HDAC4, HDAC5, HDAC7 und HDAC9. Es wurde festgestellt, dass die HDACs 4 und 5 einander am ähnlichsten sind, während HDAC7 eine Ähnlichkeit mit beiden aufweist. Es wurden drei Varianten von HDAC9 entdeckt, darunter HDAC9a, HDAC9b und HDAC9c/HDRP, und es werden noch weitere vermutet. Es wurde festgestellt, dass die Varianten von HDAC9 Ähnlichkeiten mit den übrigen HDACs der Klasse IIA aufweisen. Bei HDAC9 können die Spleißvarianten als eine Möglichkeit angesehen werden, einen „fein abgestimmten Mechanismus“ zur Differenzierung des Expressionsniveaus in der Zelle zu schaffen. Verschiedene Zelltypen können verschiedene Isoformen des HDAC9-Enzyms nutzen und so unterschiedliche Formen der Regulierung ermöglichen. Bei den HDACs 4, 5 und 7 befindet sich die katalytische Domäne im C-Terminus zusammen mit einer NLS-Region, während bei HDAC9 die katalytische Domäne im N-Terminus liegt. Der HDAC9-Variante HDAC9c/HDRP fehlt jedoch eine katalytische Domäne, sie weist jedoch eine 50%ige Ähnlichkeit mit dem N-Terminus der HDACs 4 und 5 auf.
Für die HDACs 4, 5 und 7 wurden konservierte Bindungsdomänen entdeckt, die an das C-terminale Bindungsprotein (CtBP), den Myozyten-Enhancer-Faktor 2 (MEF2) und 14-3-3 binden. Alle drei HDACs unterdrücken den myogenen Transkriptionsfaktor MEF2, der als DNA-bindender Transkriptionsfaktor eine wesentliche Rolle bei der Muskeldifferenzierung spielt. Die Bindung von HDACs an MEF2 hemmt die Muskeldifferenzierung, was durch die Wirkung der Ca2+/Calmodulin-abhängigen Kinase (CaMK) rückgängig gemacht werden kann, die den HDAC/MEF2-Komplex durch Phosphorylierung des HDAC-Anteils dissoziiert. Es wurde festgestellt, dass sie an der zellulären Hypertrophie bei der Muskelkontrolldifferenzierung sowie an der zellulären Hypertrophie in Muskel- und Knorpelgeweben beteiligt sind. Es hat sich gezeigt, dass die HDACs 5 und 7 bei der Regulierung der Muskeldifferenzierung in Opposition zu HDAC4 arbeiten, um ein angemessenes Expressionsniveau aufrechtzuerhalten. Es gibt Hinweise darauf, dass diese HDACs auch mit HDAC3 als Co-Rekrutierungsfaktor für die SMRT/N-CoR-Faktoren im Zellkern interagieren. Das Fehlen des Enzyms HDAC3 führt nachweislich zu Inaktivität, was die Forscher zu der Annahme veranlasst, dass die HDACs 4, 5 und 7 die Aufnahme von DNA-bindenden Rekrutierungsfaktoren für die HDAC3-haltigen HDAC-Komplexe im Zellkern unterstützen. Wenn HDAC4 bei Mäusen ausgeschaltet wird, leiden sie an einer ausgeprägten Chondrozytenhypertrophie und sterben an extremer Verknöcherung. Es hat sich gezeigt, dass HDAC7 die Nur77-abhängige Apoptose unterdrückt. Diese Interaktion führt zu einer Rolle bei der klonalen Expansion von T-Zellen. HDAC9-KO-Mäuse leiden nachweislich an Herzhypertrophie, die sich bei Mäusen mit doppeltem KO für HDAC 9 und 5 noch verschlimmert.
Klasse IIBEdit
Zu den HDACs der Klasse IIB gehören HDAC6 und HDAC10. Diese beiden HDACs sind in der Gesamtsequenz am engsten miteinander verwandt. Die katalytische Domäne von HDAC6 ist jedoch der von HDAC9 am ähnlichsten. Ein einzigartiges Merkmal von HDAC6 ist, dass es zwei katalytische Domänen in Tandemanordnung zueinander enthält. Ein weiteres einzigartiges Merkmal von HDAC6 ist die HDAC6-, SP3- und Brap2-verwandte Zinkfingermotiv-Domäne (HUB) im C-Terminus, die einige Funktionen im Zusammenhang mit Ubiquitinierung aufweist, was bedeutet, dass dieser HDAC anfällig für den Abbau ist. HDAC10 hat ebenfalls zwei katalytische Domänen. Eine aktive Domäne befindet sich im N-Terminus und eine mutmaßliche katalytische Domäne befindet sich im C-Terminus zusammen mit einer NES-Domäne. Zwei mutmaßliche Rb-Bindungsdomänen wurden ebenfalls auf HDAC10 gefunden, was darauf hindeutet, dass es eine Rolle bei der Regulierung des Zellzyklus spielen könnte. Es wurden zwei Varianten von HDAC10 gefunden, die sich beide in der Länge leicht unterscheiden. HDAC6 ist der einzige HDAC, der nachweislich auf Tubulin einwirkt und als Tubulin-Deacetylase bei der Regulierung der von Mikrotubuli abhängigen Zellmotilität hilft. Es ist hauptsächlich im Zytoplasma zu finden, aber auch im Zellkern, wo es zusammen mit HDAC11 einen Komplex bildet. Es ist bekannt, dass HDAC10 auf die HDACs 1, 2, 3 (oder SMRT), 4, 5 und 7 wirkt. Es gibt Hinweise darauf, dass es auch kleine Wechselwirkungen mit HDAC6 haben könnte. Dies veranlasst die Forscher zu der Annahme, dass HDAC10 eher als Rekrutierungsfaktor denn als Faktor für die Deacetylierung fungieren könnte. In Experimenten, die mit HDAC10 durchgeführt wurden, konnte jedoch tatsächlich eine Deacetylierungsaktivität nachgewiesen werden.
HDACs der Klasse IVBearbeiten
HDAC11Bearbeiten
HDAC11 ist nachweislich mit den HDACs 3 und 8 verwandt, seine Gesamtsequenz unterscheidet sich jedoch deutlich von den anderen HDACs, so dass er in eine eigene Kategorie fällt. HDAC11 hat eine katalytische Domäne in seinem N-Terminus. Es wurde nicht in HDAC-Komplexen wie Nurd oder SMRT gefunden, was bedeutet, dass es möglicherweise eine spezielle, ihm eigene Funktion hat. Es wurde festgestellt, dass HDAC11 hauptsächlich im Zellkern verbleibt.