Acetylierung von Histonen
Zu den am meisten untersuchten Proteinen, die an ε-Lysin-Resten acetyliert sind, gehören die Histone H2A, H2B, Hg und H4, bei denen die Modifikation an mehreren Stellen in den aminoterminalen Schwanzdomänen auftritt, und die HMG-Proteine, die in einer Vielzahl von Eukaryoten von Hefe bis zum Menschen vorkommen . Das wichtige Merkmal der Acetylierung von ε-Lysin-Resten ist, dass sie reversibel ist. Histone werden häufig posttranslationalen Modifikationen unterzogen, die Acetylierung, Methylierung und Phosphorylierung spezifischer Arginin-, Lysin-, Histidin-, Serin- und Threoninreste umfassen . Diese Modifikationen, von denen viele auch reversibel sind, verringern alle die positiven Ladungen von Histonschwanzstrukturen und verändern dadurch signifikant die Histon-DNA-Bindung und Wechselwirkungen zwischen Nukleosomen und zwischen Histonen und regulatorischen Proteinen. Die Entdeckungen von Gcn5p, der ersten nuklearen Histonacetyltransferase (HAT), und der ersten Histondeacetylase (HDAC) haben gezeigt, dass die Acetylierung von Histonen ein wichtiger Kontrollschritt bei der Transkription ist . Einige der Kernhüte sind auch gut bekannt und umfassend als Transkriptionsfaktoren charakterisiert. Es überrascht nicht, dass die Histonacetylierung andere Prozesse zu beeinflussen scheint, einschließlich Zellzyklusprogression, Chromosomendynamik, DNA-Replikation, Rekombination und Reparatur, Stummschaltung und Apoptose . Trotz erheblicher Anhäufung von Informationen über HATs ist das Verständnis der genauen molekularen Rolle der Histonacetylierung beim Zusammenbau von Chromatin, der Zugänglichkeit von Transkriptionsfaktoren und dem Umbau von Nukleosomen immer noch schwer fassbar.
Es gibt über 20 Hüte, die in mehrere Familien fallen, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Alle HÜTe wirken ortsspezifisch und histonspezifisch, und die Spezifität kann sich in vivo und in vitro unterscheiden; Eine solche Vielfalt kann helfen zu erklären, warum es so viele Hüte gibt. Bemerkenswerterweise sind einige HÜTe mit anderen Hüten und Coaktivatoren verbunden, was auf eine Komplexitätsschicht hindeutet, die noch nicht verstanden ist. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Steady-State-Gleichgewicht der Histonacetylierung unterschiedliche Auswirkungen auf verschiedene Gene in verschiedenen Umgebungen zu haben scheint. Die Ausrichtung der Aminosäuresequenzen, die modifizierte Lysine in acetylierten Proteinen umgeben, und die Mutagenese des humanen Importin-α-Proteins Rch1 legen nahe, dass das HAT-Erkennungsmotiv GKXXP sein kann (im einbuchstabigen Aminosäurecode mit dem acetylierten ε-Lysinrest fett gedruckt) .
Histon-Deacetylasen
Eine große Anzahl von HDACs wurde nun identifiziert, von denen viele als Corepressoren der Transkription wirken . Die Hefe-Deacetylasen Rpd3p und Hda1p werden von Repressorproteinen zu Promotoren rekrutiert, was zu einer lokalisierten Deacetylierung von Chromatin führt . Spezialisierte Regionen des Chromatins, einschließlich Telomere, Zentromere und stille Hefe-Paarungs-Loci, sind transkriptionell inaktiv und bilden hypoacetylierte heterochromatin-ähnliche (eng verpackte) Domänen. Die Heterochromatinbildung in Hefe wird durch die Silencing-Proteine Sir2p, Sir3p und Sir4p vermittelt; Es wurde festgestellt, dass Sir2p eine HDAC-Aktivität aufweist. Interessanterweise werden Deacetylasen in einigen Chromatin-Remodeling-Komplexen nachgewiesen, die zusammen mit HATs Veränderungen der Chromatinstruktur regulieren. Über die Spezifität von HDACs ist wenig bekannt, obwohl festgestellt wurde, dass HDACi nicht nur Histone, sondern auch den Transkriptionsfaktor E2F1 deacetylieren kann .
Acetylierung von HMG-Proteinen
HMG-Proteine sind eine heterogene Familie von nicht-Histon-chromosomalen Proteinen, deren Funktion trotz ihrer Häufigkeit und Allgegenwart noch nicht vollständig verstanden ist. Eine Teilmenge dieser Proteine enthält die HMG-Domäne, ein DNA-bindendes Motiv, das gebogene DNA erkennt oder eine Biegung in linearer Duplex-DNA induziert. Zwei posttranslationale Modifikationen, nämlich Phosphorylierung und Acetylierung, beeinflussen die DNA-Bindungseigenschaften von HMG1. Dieses Protein wird an konservierten Lysinen an den Positionen 2 und 11 reversibel acetyliert , und es wurde gezeigt, dass die Monoacetylierung an Lysin 2 von HMG1 die Bindungsaffinität des Proteins für einige Arten von verzerrter DNA erhöht . Dies deutet auf eine mögliche Beteiligung von HMG1 an der DNA-Reparatur hin, unabhängig von seiner ‚architektonischen‘ Rolle in Nukleoproteinkomplexen. Außerdem wurden HMG1 und HMG2 in Protein-Protein-Wechselwirkungen verwickelt und es wurde gezeigt, dass sie die spezifische Bindung regulatorischer Proteine – wie Steroidhormonrezeptoren, Hox- und POU-Domänenproteine (Entwicklungstranskriptionsfaktoren), p53 (ein Tumorsuppressor) und die TATA-Box-bindenden basalen Transkriptionsfaktoren – an ihre Ziel-DNA-Sequenzen erleichtern .
Acetylierung von Transkriptionsfaktoren
Im Zellkern ist die DNA dicht in mehrere Strukturordnungen verpackt, ohne dass die Transkriptionsmaschinerie leicht zugänglich ist. Die Acetylierung von Lysinresten innerhalb von Histonen, histonähnlichen Proteinen und Nicht-Histonproteinen (wie Transkriptionsfaktoren) hat sich kürzlich als ein Hauptmechanismus herausgestellt, der von der Zelle verwendet wird, um unterdrückte Chromatinzustände zu überwinden . Mehrere Transkriptionsfaktoren wurden als Substrate für HATs identifiziert, insbesondere für das HATS-CREB-bindende Protein (CBP) und sein enges Homolog p300, die Cofaktoren der Kernrezeptoraktivierten Gentranskription sind, und p300 / CBP-assoziierter Faktor (PCAF). Zu diesen Substratproteinen gehören die transkriptionellen Aktivatoren E2F1-3 (an der Progression durch den G1 / S-Zellzyklusübergang beteiligt), P53, c-Jun (ein Transkriptionsfaktor, der an der Reaktion auf Mitogene beteiligt ist), der erythroide Krüppel-ähnliche Transkriptionsfaktor (EKLF), der transkriptionelle Coaktivator GATA1, der für die Differenzierung von Megakaryozyten und Erythrozyten benötigt wird, der muskelspezifische Differenzierungsregulator MyoD, das Produkt des Protoonkogens c-myb, das HMG-Protein HMGI (Y-Protein), der ), dem T-Zell-Faktor-regulierten Transkriptionsaktivator TCF (der Wnt-Signalproteinen nachgeschaltet ist), Hepatozyten-Kernfaktor HNF-4, die allgemeinen Transkriptionsfaktoren TFIIEß und TFIIF, Erythrozyten-Transkriptionsfaktor NF-E2 (MafG) und der Steroidhormon-Kernrezeptor-Coaktivator ACTR (und Referenzen darin). Die Liste der neuen Hutsubstrate wächst rasant. Die Acetylierung von Transkriptionsfaktoren kann ihre Fähigkeit verändern, DNA zu binden (in den Fällen von E2F1, p53, EKLF, GATA1 und HNF-4), mit anderen Proteinen (c-Jun, TCF, ACTR und HNF-4) zu interagieren oder im Zellkern zu bleiben (HNF-4). Darüber hinaus können PCAF, p300 und CBP autoacetylieren, was intramolekulare Umlagerungen zwischen der Bromodomäne (die Acetyl-Lysin bindet) und dem acetylierten Lysin (en) erleichtert; Diese Wechselwirkung kann für die HAT-Aktivität und für die Rekrutierung von Remodeling-Komplexen zu acetyliertem Chromatin wichtig sein .
Die Wirkung der Acetylierung auf die DNA-bindende Proteinfunktion hängt von der Position der modifizierten Stelle innerhalb des Proteins ab. Im Falle der Transkriptionsfaktoren p53, E2F1, EKLF und GATA-1 befindet sich die Acetylierungsstelle direkt neben der DNA-Bindungsdomäne, und die Acetylierung stimuliert die DNA-Bindung . Im Gegensatz dazu befinden sich die innerhalb von HMGI (Y) acetylierten Lysine innerhalb der DNA-Bindungsdomäne und führen zu einer Störung der DNA-Bindung. Daher stimuliert die Acetylierung nicht immer die Transkription.
Acetylierung beeinflusst auch Protein-Protein-Wechselwirkungen. Beispielsweise wird die Assoziation von nukleären Steroidhormonrezeptoren mit ihrem Coaktivator ACTR durch Acetylierung gehemmt . Anscheinend erzeugt die Histonacetylierung eine Erkennungsstelle für die Bromodomäne, ein Motiv, das in vielen Proteinen, einschließlich HATs, konserviert ist . Die Histonacetylierung kann der Rekrutierung von ATP-abhängigen Chromatin-Remodeling-Aktivitäten während der transkriptionellen Aktivierung vorausgehen. Insbesondere ist das HAT-Gcn5p an der stabilisierenden Bindung des SWI / SNF-Chromatin-Remodeling-Komplexes an einen Promotor beteiligt, und diese Wechselwirkung scheint durch die Gcn5p-Bromodomäne vermittelt zu werden . Es gibt einige Hinweise, beispielsweise durch den Transkriptionsfaktor E2F1, dass die Acetylierung die Halbwertszeit des Proteins erhöht .
Acetylierung von nuklearen Importfaktoren
Hüte können auch auf andere nukleare Proteine abzielen. Ein Screening einer großen Anzahl von Proteinen, die an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt sind, führte zur Identifizierung von zwei nuklearen Importproteinen, Rch1 und Importin-α7, als Substrate für die Acetyltransferase CBP . Die Reaktion schien spezifisch zu sein, da ein anderer nuklearer Importfaktor, Importin-α3, kein Substrat für CBP war. Sowohl p300 als auch CBP können die Acetylierung von Rch1 und Importin-α7 in vivo vermitteln, höchstwahrscheinlich im Zellkern . Der acetylierte Rest ε-Lys22 liegt innerhalb der Bindungsstelle in Rch1 für den anderen nuklearen Importfaktor Importin-β, und die Acetylierung der Stelle fördert die Interaktion mit Importin-β in vitro . Somit ist es möglich, dass der Nuklearimport durch Acetylierung reguliert wird, die durch den p300 / CBP-Rezeptor vermittelt wird.Das Targeting von HAT-Enzymen auf ihre Substrate ist wahrscheinlich wichtig und kann eine Rolle bei der Regulation durch andere Signalwege spielen, wie der Befund zeigt, dass die Phosphorylierung von p53 seine Acetylierung stimuliert, wahrscheinlich durch Erhöhung der Assoziation von p53 mit p300 . Einige Hinweise deuten darauf hin, dass die Aktivität von HATs durch Proliferations- und Differenzierungssignale über Phosphorylierung oder hormonelle Signalisierung reguliert wird. Zum Beispiel wird die HAT-Aktivität von CBP an der G1-S-Phasengrenze des Zellzyklus stimuliert, und die hormoninduzierte Acetylierung von ACTR unterdrückt die Kernrezeptorfunktion. Zusammen haben diese Ergebnisse zu der Hypothese geführt, dass Acetylierung eine regulatorische Modifikation ist, die der Phosphorylierung in der Zellsignalisierung Konkurrenz machen kann .
Acetylierung von Tubulin
Mikrotubuli sind zylindrische Zytoskelettstrukturen, die in fast allen eukaryotischen Zelltypen vorkommen und an einer Vielzahl zellulärer Prozesse beteiligt sind, einschließlich Mitose, Ziliar- und Flagellarmotilität, intrazellulärem Transport von Vesikeln und Organellen und möglicherweise an der Bestimmung der Morphologie bestimmter Zellen . Die strukturelle Untereinheit von Mikrotubuli ist das 100-kDa-Proteintubulin, das aus α- und β-Isoformen besteht, die heterodimere Komplexe bilden und sich von Kopf zu Schwanz verbinden, um Profilamente zu bilden, und dann seitlich die Wände zylindrischer Mikrotubuli bilden. Verschiedene Arten der posttranslationalen Modifikation beeinflussen die Tubulinfunktion, einschließlich Acetylierung, Phosphorylierung, Polyglutamierung, Polyglycylierung und Detyrosinierung . Die meisten dieser Modifikationen sind reversibel und alle, mit Ausnahme der Acetylierung, treten an den hochvariablen Carboxyltermini von Tubulin α- und β-Untereinheiten auf.
Der erste Nachweis für die Acetylierung von Tubulinen wurde mit einem Flagellentubulin aus der einzelligen Alge Polytomella erbracht. Die Tubulinacetylierung wurde seitdem bei Wirbeltieren, Insekten, Nematoden und Pflanzen beobachtet, bei denen die Acetylgruppe an die ε-Aminogruppe von Lysin 40 gebunden ist. Die α-Tubulinacetyltransferase wurde aus der flagellierten einzelligen Alge Chlamydomonas und aus dem Gehirn von Säugetieren gereinigt und zeigte eine Molekülmasse von 62-67 kDa . Während der Reinigung des Enzyms aus Chlamydomonas wurden Nachweise für eine Tubulindeacetylase und für einen Inhibitor der α-Tubulinacetyltransferase erhalten. In Chlamydomonas zeigt die Tubulinacetyltransferase eine zweifache Präferenz für polymerisiertes gegenüber löslichem Tubulin, aber in HeLa-Zellen tritt die Acetylierung hauptsächlich nach der Polymerisation auf . Im Allgemeinen kann die Acetylierung schnell – fast sofort – erfolgen, und acetyliertes Tubulin grenzt daher nicht unbedingt alte Mikrotubuli ab. Es wurde eine gewisse Korrelation zwischen α-Tubulinacetylierung und Mikrotubuli-Stabilität gefunden . Acetylierte Mikrotubuli widerstehen üblicherweise der arzneimittelinduzierten Demontage, jedoch nicht der kälteinduzierten Demontage, obwohl in einigen Zellen eine Teilmenge acetylierter Mikrotubuli kältebeständig ist . Es ist jedoch noch unklar, wie die intrazelluläre räumliche Organisation acetylierter Mikrotubuli bestimmt wird. Es kann einige Faktoren geben, die die Acetyltransferase-Enzymaktivität auf bestimmte zelluläre Mikrotubuli und auf eingeschränkte Regionen beschränken: kandidaten für solche Faktoren sind die Mikrotubuli-assoziierten Proteine MAP1B, MAP2 und τ, die die Wechselwirkung der Acetyltransferase mit Mikrotubuli entweder verstärken oder hemmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Zusammenspiel von Mikrotubuli mit anderen Elementen des Zytoskeletts oder Organellen die Aktivität des Acetyltransferase-Enzyms reguliert.
Die Rolle acetylierter Mikrotubuli in Zellen bleibt eine wichtige unbeantwortete Frage. Acetyliertes Tubulin ist zum Überleben nicht erforderlich, und eine Mutante des Ciliaten Tetrahymena mit Lysin 40, das durch Arginin ersetzt ist, ist vom Wildtyp nicht zu unterscheiden . Die Klonierung und Analyse der oben erwähnten 62-67 kDa α-Tubulinacetyltransferase ist entscheidend für das Verständnis der Rolle der α-Tubulinacetylierung.