Histonacetyltransferase (HAT’s)
Histonacetyltransferases, ook bekend als HAT’s, zijn een familie van enzymen die de histonstaarten van het nucleosoom acetyleren. Deze, en andere modificaties, komen tot uiting op basis van de wisselende toestanden van de cellulaire omgeving. Vele eiwitten met acetylerende capaciteiten zijn gedocumenteerd en werden na verloop van tijd gecategoriseerd op basis van sequentie-overeenkomst tussen hen. Deze overeenkomsten zijn groot tussen leden van een familie, maar leden van verschillende families vertonen zeer weinig gelijkenis. Enkele van de belangrijkste tot nu toe geïdentificeerde families zijn de volgende.
GNAT familieEdit
General Control Non-Derepressible 5 (Gcn5) -related N-Acetyltransferases (GNATs) is een van de vele bestudeerde families met acetyleringscapaciteiten. Deze superfamilie omvat de factoren Gcn5 die deel uitmaakt van de SAGA-, SLIK-, STAGA-, ADA- en A2-complexen, Gcn5L, p300/CREB-bindend eiwit geassocieerde factor (PCAF), Elp3, HPA2 en HAT1. Belangrijke kenmerken van de GNAT-familie zijn HAT-domeinen met een lengte van ongeveer 160 residuen en een geconserveerd bromodomein dat een acetyl-lysine targeting motief blijkt te zijn. Het is aangetoond dat Gcn5 substraten acetyleert als het deel uitmaakt van een complex. Recombinant Gcn5 blijkt betrokken te zijn bij de acetylering van de H3 histonen van het nucleosoom. In mindere mate blijkt het ook H2B en H4 histonen te acetyleren wanneer het betrokken is bij andere complexen. PCAF kan optreden als een HAT-eiwit en histonen acetyleren, het kan niet-histon-eiwitten acetyleren die verband houden met transcriptie, en het kan optreden als een coactivator in vele processen waaronder myogenese, nucleaire-receptor-gemedieerde activering en groeifactor-gemedieerde activering. Elp3 heeft het vermogen om alle histon-subeenheden te acetyleren en toont ook betrokkenheid bij het holoenzym RNA polymerase II.
MYST-familieEdit
MOZ (Monocytic Leukemia Zinc Finger Protein), Ybf2/Sas3, Sas2 en Tip60 (Tat Interacting Protein) vormen allemaal MYST, een andere bekende familie die acetylerende capaciteiten vertoont. Deze familie omvat Sas3, essentieel SAS-gerelateerd acetyltransferase (Esa1), Sas2, Tip60, MOF, MOZ, MORF, en HBO1. De leden van deze familie hebben meerdere functies, niet alleen bij het activeren en uitschakelen van genen, maar beïnvloeden ook de ontwikkeling en hebben implicaties bij menselijke ziekten. Sas2 en Sas3 zijn betrokken bij het uitschakelen van de transcriptie, MOZ en TIF2 zijn betrokken bij de vorming van leukemische transclocatieproducten, terwijl MOF betrokken is bij doseringscompensatie in Drosophila. MOF beïnvloedt ook de spermatogenese bij muizen omdat het betrokken is bij de uitbreiding van H2AX-fosforylering tijdens de leptotene tot pachytene stadia van de meiose. De HAT-domeinen van deze familie bestaan uit ongeveer 250 residuen, waaronder cysteïnerijke, zinkbindende domeinen en N-terminale chromodomeinen. De MYST-eiwitten Esa1, Sas2 en Sas3 worden aangetroffen in gist, MOF wordt aangetroffen in Drosophila en muizen, terwijl Tip60, MOZ, MORF, en HBO1 worden aangetroffen in de mens. Tip60 speelt een rol bij de regulering van de gen-transcriptie, HBO blijkt invloed te hebben op het DNA-replicatieproces, MORF is in staat vrije histonen (vooral H3 en H4) te acetyleren, evenals nucleosomale histonen.
p300/CBP familieEdit
Adenoviraal E1A-geassocieerd eiwit van 300kDa (p300) en het CREB-bindend eiwit (CBP) vormen de volgende familie van HATs. Deze familie van HAT’s bevat HAT-domeinen die ongeveer 500 residuen lang zijn en bromodomeinen bevatten, alsmede drie cysteïne-histidinerijke domeinen die helpen bij eiwitinteracties. Van deze HAT’s is bekend dat zij alle histon-subeenheden in het nucleosoom acetyleren. Zij hebben ook de mogelijkheid om niet-histon-eiwitten die betrokken zijn bij transcriptie te acetyleren en te mediëren en zijn ook betrokken bij de celcyclus, differentiatie en apoptose.
Andere HATsEdit
Er zijn andere eiwitten die acetylerende capaciteiten hebben maar in structuur verschillen van de eerder genoemde families. Eén HAT heet steroïde receptor coactivator 1 (SRC1), dat een HAT-domein heeft dat zich aan het C-terminusuiteinde van het eiwit bevindt, samen met een basische helix-lus-helix en PAS A- en PAS B-domeinen met een LXXLL-receptorinteractiemotief in het midden. Een ander is ATF-2 dat een ACT-domein (transcriptional activation) en een bZip-domein (basic zipper DNA-binding) bevat met daartussen een HAT-domein. De laatste is TAFII250, dat een kinasedomein in het N-terminusgebied heeft, twee bromodomeinen in het C-terminusgebied en een HAT-domein daartussen.
Histon deacetylase (HDACs)
Er zijn in totaal vier klassen die Histon Deacetylases (HDACs) categoriseren. Klasse I omvat de HDAC’s 1, 2, 3 en 8. Klasse II is onderverdeeld in twee subgroepen, Klasse IIA en Klasse IIB. Klasse IIA omvat de HDAC’s 4, 5, 7 en 9, terwijl klasse IIB de HDAC’s 6 en 10 omvat. Klasse III omvat de Sirtuïnes en klasse IV omvat alleen HDAC11. De klassen van HDAC-eiwitten worden ingedeeld en gegroepeerd op basis van de vergelijking met de sequentiehomologieën van Rpd3, Hos1 en Hos2 voor de klasse I HDAC’s, HDA1 en Hos3 voor de klasse II HDAC’s en de sirtuïnes voor de klasse III HDAC’s.
Klasse I HDACsEdit
HDAC1 & HDAC2Edit
HDAC1 & HDAC2 zijn in de eerste klasse van HDACs het nauwst met elkaar verwant. Door de algemene sequenties van beide HDAC’s te analyseren, bleek hun overeenkomst ongeveer 82% homoloog te zijn. Deze enzymen bleken inactief te zijn wanneer zij geïsoleerd werden, hetgeen tot de conclusie leidde dat zij met cofactoren moeten worden geïncorporeerd om hun deacetylasecapaciteiten te activeren. Er zijn drie belangrijke eiwitcomplexen waarin HDAC 1 & 2 zich kan integreren. Deze complexen zijn Sin3 (genoemd naar het kenmerkende eiwit mSin3A), Nucleosome Remodelling and Deacetylating complex (NuRD), en Co-REST. Het Sin3-complex en het NuRD-complex bevatten beide de HDAC’s 1 en 2, het Rb-geassocieerde eiwit 48 (RbAp48) en RbAp46, die de kern van elk complex vormen. Er kunnen echter nog andere complexen nodig zijn om een zo groot mogelijke hoeveelheid beschikbare activiteit op gang te brengen. HDAC’s 1 en 2 kunnen zich ook rechtstreeks binden aan DNA-bindende eiwitten zoals Yin en Yang 1 (YY1), Rb bindend eiwit 1 en Sp1. Gebleken is dat HDAC’s 1 en 2 een regulerende rol spelen in belangrijke celcyclusgenen, waaronder p21.
De activiteit van deze HDAC’s kan door fosforylering worden beïnvloed. Een verhoogde hoeveelheid fosforylering (hyperfosforylering) leidt tot een verhoogde deacetylase-activiteit, maar degradeert de complexvorming tussen HDACs 1 en 2 en tussen HDAC1 en mSin3A/YY1. Een lager dan normale hoeveelheid fosforylering (hypofosforylering) leidt tot een afname van de hoeveelheid deacetylase-activiteit, maar verhoogt de hoeveelheid complexvorming. Mutatiestudies toonden aan dat de belangrijkste fosforylering optreedt bij de residuen Ser421 en Ser423. Wanneer deze residuen gemuteerd werden, werd inderdaad een drastische vermindering van de deacetylase activiteit gezien. Dit verschil in de fosforyleringstoestand is een manier om een optimaal niveau van fosforylering te handhaven en ervoor te zorgen dat er geen over- of onderexpressie van deacetylering optreedt. HDACs 1 en 2 zijn uitsluitend in de celkern aangetroffen. Bij muizen met HDAC1 knock-out (KO) werd vastgesteld dat de muizen tijdens de embryogenese stierven en dat zij een drastische vermindering vertoonden van de productie maar een verhoogde expressie van Cyclin-Dependent Kinase Inhibitors (CDKI’s) p21 en p27. Zelfs upregulatie van de andere klasse I HDACs kon het verlies van HDAC1 niet compenseren. Dit onvermogen om te herstellen van HDAC1 KO leidt onderzoekers te geloven dat er zowel functionele uniciteit is voor elke HDAC als regulerende cross-talk tussen factoren.
HDAC3Edit
HDAC3 bleek het meest verwant te zijn aan HDAC8. HDAC3 bevat een niet-geconserveerde regio in het C-terminale gebied dat nodig bleek te zijn voor transcriptionele repressie en voor zijn deacetylase-activiteit. Het bevat ook twee regio’s, een Nucleair Lokalisatiesignaal (NLS) en een Nucleair Exportsignaal (NES) genoemd. Het NLS functioneert als signaal voor nucleaire actie, terwijl een NES functioneert bij HDAC’s die buiten de kern werkzaam zijn. De aanwezigheid van beide signalen voor HDAC3 suggereert dat het zich tussen de kern en het cytoplasma verplaatst. Er is zelfs een interactie tussen HDAC3 en het plasmamembraan gevonden. Silencing Mediator for Retinoic Acid and Thyroid Hormone (SMRT)-receptoren en Nuclear Receptor Co-Repressor (N-CoR)-factoren moeten door HDAC3 worden gebruikt om het te activeren. Wanneer dit gebeurt, krijgt het de mogelijkheid tot co-precipitatie met HDAC’s 4, 5, en 7. HDAC3 kan ook worden aangetroffen in een complex met HDAC-gerelateerd eiwit (HDRP). Er is vastgesteld dat HDACs 1 en 3 interacties tussen Rb en RbAp48 mediëren, wat suggereert dat het functioneert in de progressie van de celcyclus. HDAC3 blijkt ook betrokken te zijn bij de zelfvernieuwing van stamcellen en speelt een transcriptie-onafhankelijke rol in mitose.
HDAC8Edit
HDAC8 blijkt de meeste overeenkomsten te vertonen met HDAC3. Het belangrijkste kenmerk is het katalytische domein dat een NLS-regio in het centrum bevat. Er zijn twee transcripten van deze HDAC gevonden: een transcript van 2,0kb en een transcript van 2,4kb. In tegenstelling tot de andere HDAC-moleculen bleek deze HDAC na zuivering enzymatisch actief te zijn. Door de recente ontdekking is het nog niet bekend of het door co-repressor proteïnecomplexen wordt gereguleerd. Noordelijke blots hebben aangetoond dat verschillende weefseltypen een verschillende mate van expressie van HDAC8 laten zien, maar deze is waargenomen in gladde spieren en draagt vermoedelijk bij aan de contractiliteit.
Klasse II HDACsEdit
Klasse IIAEdit
De klasse IIA HDACs omvat HDAC4, HDAC5, HDAC7 en HDAC9. Men heeft ontdekt dat HDACs 4 en 5 het meest op elkaar lijken, terwijl HDAC7 een gelijkenis met beide vertoont. Er zijn drie varianten van HDAC9 ontdekt, waaronder HDAC9a, HDAC9b en HDAC9c/HDRP, terwijl men vermoedt dat er meer zijn. De varianten van HDAC9 bleken overeenkomsten te vertonen met de rest van de klasse IIA HDAC’s. Voor HDAC9 kunnen de splicing-varianten worden gezien als een manier om een “fijnafgestemd mechanisme” te creëren voor differentiatie van expressieniveaus in de cel. Verschillende celtypes kunnen profiteren van en gebruik maken van verschillende isovormen van het HDAC9-enzym, waardoor verschillende vormen van regulering mogelijk worden. De katalytische domeinen van HDACs 4, 5 en 7 bevinden zich in de C-terminus samen met een NLS-regio, terwijl HDAC9 zijn katalytische domein in de N-terminus heeft. De HDAC9-variant HDAC9c/HDRP heeft echter geen katalytisch domein, maar vertoont 50% overeenkomst met het N-terminus van HDACs 4 en 5.
Voor HDACs 4, 5 en 7 zijn geconserveerde bindingsdomeinen ontdekt die zich binden aan C-terminal binding protein (CtBP), myocyte enhancer factor 2 (MEF2) en 14-3-3. Alle drie HDAC’s werken aan de repressie van de myogene transcriptiefactor MEF2, die als DNA-bindende transcriptiefactor een essentiële rol speelt bij spierdifferentiatie. Binding van HDAC’s aan MEF2 remt de spierdifferentiatie, die kan worden omgekeerd door de werking van Ca2+/calmoduline-afhankelijk kinase (CaMK), dat het HDAC/MEF2-complex loskoppelt door het HDAC-gedeelte te fosforyleren. Er is geconstateerd dat zij betrokken zijn bij de cellulaire hypertrofie bij de differentiatie van de spiercontrole, alsook bij de cellulaire hypertrofie in spier- en kraakbeenweefsel. Er is aangetoond dat HDAC’s 5 en 7 tijdens de regulering van de spierdifferentiatie tegenover HDAC4 werken om een juist expressieniveau te behouden. Er zijn aanwijzingen dat deze HDAC’s ook interageren met HDAC3 als een co-rekruteringsfactor voor de SMRT/N-CoR-factoren in de kern. Afwezigheid van het HDAC3-enzym blijkt tot inactiviteit te leiden, waardoor onderzoekers denken dat de HDAC’s 4, 5 en 7 helpen bij de opname van DNA-bindende recruteerders voor de HDAC3-bevattende HDAC-complexen die zich in de kern bevinden. Wanneer HDAC4 bij muizen wordt uitgeschakeld, lijden deze aan een uitgesproken hypertrofie van de chondrocyten en sterven zij als gevolg van extreme ossificatie. Er is aangetoond dat HDAC7 de Nur77-afhankelijke apoptose onderdrukt. Deze interactie leidt tot een rol in de klonale expansie van T-cellen. Bij muizen met HDAC9 KO is cardiale hypertrofie aangetoond, die verergerd wordt bij muizen die dubbel KO zijn voor HDACs 9 en 5.
Klasse IIBEdit
De klasse IIB HDACs omvatten HDAC6 en HDAC10. Deze twee HDAC’s zijn qua algemene volgorde het meest aan elkaar verwant. Het katalytische domein van HDAC6 lijkt echter het meest op dat van HDAC9. Een unieke eigenschap van HDAC6 is dat het twee katalytische domeinen in tandem van elkaar bevat. Een ander uniek kenmerk van HDAC6 is het HDAC6-, SP3- en Brap2-gerelateerde zinkvingermotief (HUB)-domein in de C-terminus, dat enkele functies vertoont die verband houden met ubiquitinatie, wat betekent dat deze HDAC vatbaar is voor degradatie. HDAC10 heeft ook twee katalytische domeinen. Eén actief domein bevindt zich in de N-terminus en een putatief katalytisch domein bevindt zich in de C-terminus samen met een NES-domein. Er zijn ook twee vermoedelijke Rb-bindende domeinen gevonden op HDAC10, waaruit blijkt dat het een rol kan spelen bij de regulering van de celcyclus. Er zijn twee varianten van HDAC10 gevonden, beide met kleine verschillen in lengte. HDAC6 is de enige HDAC waarvan is aangetoond dat hij op tubuline werkt en als tubuline-deacetylase helpt bij de regulering van de microtubulus-afhankelijke celbeweeglijkheid. Het wordt meestal in het cytoplasma aangetroffen, maar het is bekend dat het ook in de kern wordt aangetroffen, samen met HDAC11. Van HDAC10 is bekend dat het inwerkt op HDAC’s 1, 2, 3 (of SMRT), 4, 5 en 7. Er zijn aanwijzingen dat het ook kleine interacties met HDAC6 kan hebben. Dit brengt onderzoekers ertoe te denken dat HDAC10 wellicht meer als een recruiter dan als een factor voor deacetylering fungeert. Experimenten met HDAC10 hebben echter wel degelijk deacetyleringsactiviteit laten zien.
Klasse IV HDACsEdit
HDAC11Edit
HDAC11 is verwant gebleken aan HDACs 3 en 8, maar de algehele sequentie verschilt nogal van de andere HDACs, waardoor het in zijn eigen categorie is ondergebracht. HDAC11 heeft een katalytisch domein in zijn N-terminus. Het is niet aangetroffen in HDAC-complexen zoals Nurd of SMRT, wat betekent dat het een speciale functie heeft die uniek is voor zichzelf. Men heeft ontdekt dat HDAC11 hoofdzakelijk in de kern blijft.