Acetilación de histonas
Las proteínas más estudiadas que están acetiladas en residuos de ε-lisina incluyen las histonas H2A, H2B, Hg y H4, en las que la modificación ocurre en múltiples sitios en los dominios de la cola amino-terminal, y las proteínas HMG, que se encuentran en una variedad de eucariotas, desde levaduras hasta humanos . La característica importante de la acetilación de residuos de ε-lisina es que es reversible. Las histonas se someten con frecuencia a modificaciones postraduccionales que incluyen acetilación, metilación y fosforilación de residuos específicos de arginina, lisina, histidina, serina y treonina . Estas modificaciones, muchas de las cuales también son reversibles, disminuyen las cargas positivas de las estructuras de la cola de las histonas, alterando así significativamente la unión histona-ADN y las interacciones entre nucleosomas y entre histonas y proteínas reguladoras. Los descubrimientos de Gcn5p, la primera histona acetiltransferasa nuclear (HAT), y de la primera histona deacetilasa (HDAC), establecieron que la acetilación de histonas es un importante paso de control en la transcripción . Algunos de los sombreros nucleares también son bien conocidos y ampliamente caracterizados como factores de transcripción. No es sorprendente que la acetilación de histonas parezca influir en otros procesos, como la progresión del ciclo celular, la dinámica cromosómica, la replicación del ADN, la recombinación y reparación, el silenciamiento y la apoptosis . A pesar de la acumulación significativa de información sobre HATs, la comprensión del papel molecular preciso de la acetilación de histonas en el ensamblaje de la cromatina, la accesibilidad de los factores de transcripción y la remodelación de nucleosomas sigue siendo difícil de comprender.
Hay más de 20 sombreros que pertenecen a varias familias, que se enumeran en la Tabla 1. Todos los SOMBREROS actúan de una manera específica del sitio y de la histona, y la especificidad puede diferir in vivo e in vitro; tal diversidad que puede ayudar a explicar por qué hay tantos sombreros. Sorprendentemente, algunos sombreros están asociados con otros sombreros y coactivadores, lo que sugiere una capa de complejidad que aún no se entiende. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el equilibrio en estado estacionario de la acetilación de histonas parece ejercer diferentes efectos en diferentes genes en diferentes entornos. La alineación de las secuencias de aminoácidos que rodean a las lisinas modificadas en proteínas acetiladas y la mutagénesis de la proteína α-importina humana Rch1 sugieren que el motivo de reconocimiento del SOMBRERO puede ser GKXXP (en el código de aminoácidos de una sola letra, con el residuo de ε-lisina acetilado en negrita) .
Histonas desacetilasas
Se ha identificado un gran número de HDACS, muchos de los cuales actúan como correpresores de la transcripción . Las desacetilasas de levadura Rpd3p y Hda1p son reclutadas por proteínas represoras a promotores, causando una desacetilación localizada de la cromatina . Las regiones especializadas de cromatina, incluidos telómeros, centrómeros y loci de tipo de apareamiento de levadura silenciosa, son transcripcionalmente inactivas y forman dominios hipoacetilados similares a la heterocromatina (empaquetados herméticamente). La formación de heterocromatina en la levadura está mediada por las proteínas silenciadoras Sir2p, Sir3p y Sir4p; Se ha encontrado que Sir2p tiene actividad HDAC. Curiosamente, las deacetilasas se detectan en algunos complejos de remodelación de la cromatina, que regulan los cambios en la estructura de la cromatina, junto con los sombreros. Se sabe poco sobre la especificidad de los HDACS, aunque se ha encontrado que los HDACi pueden desacetilar no solo las histonas, sino también el factor de transcripción E2F1 .
Acetilación de proteínas HMG
Las proteínas HMG son una familia heterogénea de proteínas cromosómicas no histónicas cuya función aún no se comprende completamente, a pesar de su abundancia y ubicuidad. Un subconjunto de estas proteínas contiene el dominio HMG, un motivo de unión al ADN que reconoce el ADN doblado o induce la flexión en el ADN dúplex lineal. Dos modificaciones postraduccionales, a saber, la fosforilación y la acetilación, influyen en las propiedades de unión al ADN de la HMG1. Esta proteína se acetila reversiblemente en lisinas conservadas en las posiciones 2 y 11, y se ha demostrado que la monoacetilación en lisina 2 de HMG1 aumenta la afinidad de unión de la proteína para algunos tipos de ADN distorsionado . Esto indica la posible participación de HMG1 en la reparación del ADN, aparte de su papel «arquitectónico» en los complejos de nucleoproteínas. Además, HMG1 y HMG2 se han implicado en las interacciones proteína-proteína y se ha demostrado que facilitan la unión específica de proteínas reguladoras, como los receptores de hormonas esteroides, las proteínas de dominio Hox y POU (factores de transcripción del desarrollo), p53 (un supresor tumoral) y los factores de transcripción basales de unión a cajas TATA, a sus secuencias de ADN diana .
Acetilación de factores de transcripción
En el núcleo, el ADN está bien empaquetado en varios órdenes de estructura sin fácil acceso para la maquinaria de transcripción. La acetilación de residuos de lisina dentro de las histonas, proteínas similares a las histonas y proteínas no histonas (como los factores de transcripción) ha surgido recientemente como un mecanismo importante utilizado por la célula para superar los estados de cromatina reprimidos . Se han identificado varios factores de transcripción como sustratos para HATs, particularmente para la proteína de unión a CREB (CBP) de HATs y su homólogo cercano p300, que son cofactores de la transcripción de genes activados por receptores nucleares, y el factor asociado a p300/CBP (PCAF). Estas proteínas de sustrato incluyen los activadores transcripcionales E2F1-3 (involucrados en la progresión a través de la transición del ciclo celular G1/S), P53, c-Jun (un factor de transcripción involucrado en la respuesta a mitógenos), el factor de transcripción eritroide tipo Krüppel (EKLF), el coactivador transcripcional GATA1 que se requiere para la diferenciación de megacariocitos y eritrocitos, el regulador de diferenciación muscular específico MyoD, el producto del protooncógeno c-myb, la proteína HMG HMGI(Y), el activador de transcripción regulado por el factor de células T TCF (que está aguas abajo de las proteínas de señalización Wnt), factor nuclear de hepatocitos HNF-4, los factores de transcripción generales TFIIEß y TFIIF, el factor de transcripción de eritrocitos NF-E2(MafG) y el coactivador de receptores nucleares de hormonas esteroides ACTR ( y referencias en él). La lista de nuevos sustratos de SOMBRERO está creciendo rápidamente. La acetilación de los factores de transcripción puede alterar su capacidad para unirse al ADN (en los casos de E2F1, p53, EKLF, GATA1 y HNF-4), para interactuar con otras proteínas (c-Jun, TCF, ACTR y HNF-4), o para permanecer en el núcleo (HNF-4). Además, PCAF, p300 y CBP pueden autoacetilarse, facilitando los reordenamientos intramoleculares entre el bromodominio (que se une a la acetil-lisina) y la lisina acetilada(s); esta interacción puede ser importante para la actividad de HAT y para el reclutamiento de complejos remodelantes a la cromatina acetilada .
El efecto de la acetilación en la función de la proteína de unión al ADN depende de la ubicación del sitio modificado dentro de la proteína. En el caso de los factores de transcripción p53, E2F1, EKLF y GATA-1, el sitio de acetilación se encuentra directamente adyacente al dominio de unión al ADN, y la acetilación estimula la unión al ADN . En contraste, las lisinas acetiladas dentro de HMGI(Y) están dentro del dominio de unión al ADN y resultan en la interrupción de la unión al ADN. Por lo tanto, la acetilación no siempre estimula la transcripción.
La acetilación también afecta las interacciones proteína-proteína. Por ejemplo, la asociación de receptores de hormonas esteroides nucleares con su coactivador ACTR se inhibe por acetilación . Aparentemente, la acetilación de histonas genera un sitio de reconocimiento para el bromodominio, un motivo conservado en muchas proteínas, incluidos los sombreros . La acetilación de histonas puede preceder al reclutamiento de actividades de remodelación de la cromatina dependiente de ATP durante la activación transcripcional. En particular, el HAT Gcn5p está involucrado en la estabilización de la unión del complejo de remodelación de cromatina SWI/SNF a un promotor, y esta interacción parece estar mediada a través del bromodominio Gcn5p . Hay alguna evidencia, ejemplificada por el factor de transcripción E2F1, de que la acetilación aumenta la vida media de la proteína .
La acetilación de factores de importación nucleares
Los sombreros también pueden apuntar a otras proteínas nucleares. Una pantalla de un gran conjunto de proteínas involucradas en diferentes procesos celulares resultó en la identificación de dos proteínas de importación nuclear, Rch1 e importina-α7, como sustratos para la acetiltransferasa CBP . La reacción parecía ser específica porque otro factor de importación nuclear, la importina-α3, no era un sustrato para el CBP. Tanto p300 como CBP pueden mediar la acetilación de Rch1 e importina-α7 in vivo, muy probablemente en el núcleo . El residuo acetilado, ε-Lys22, se encuentra dentro del sitio de unión en Rch1 para el otro factor de importación nuclear, importina-β, y la acetilación del sitio promueve la interacción con la importina-β in vitro . Por lo tanto, es posible que la importación nuclear pueda ser regulada por acetilación, mediada por los sombreros p300/CBP.
Es probable que la orientación de las enzimas HAT a sus sustratos sea importante y pueda desempeñar un papel en la regulación por otras vías de señalización, como lo indica el hallazgo de que la fosforilación de p53 estimula su acetilación, probablemente al aumentar la asociación de p53 con p300 . Algunas pruebas indican que la actividad de los sombreros está regulada por señales de proliferación y diferenciación , a través de la fosforilación o la señalización hormonal. Por ejemplo, la actividad HAT de la CBP se estimula en el límite de la fase G1-S del ciclo celular, y la acetilación inducida por hormonas de la ACTR reprime la función del receptor nuclear. Juntos, estos resultados han llevado a la hipótesis de que la acetilación es una modificación reguladora que puede rivalizar con la fosforilación en la señalización celular .
Acetilación de tubulina
Los microtúbulos son estructuras citoesqueléticas cilíndricas que se encuentran en casi todos los tipos de células eucariotas y están involucrados en una gran variedad de procesos celulares, incluyendo mitosis, motilidad ciliar y flagelar, transporte intracelular de vesículas y orgánulos, y posiblemente en la determinación de la morfología de ciertas células . La subunidad estructural de los microtúbulos es la tubulina de proteína de 100 kDa, que consiste en isoformas α y β que forman complejos heterodiméricos y se asocian de cabeza a cola para formar perfiles y luego lateralmente para formar las paredes de los microtúbulos cilíndricos. Varios tipos de modificación postraduccional afectan la función de la tubulina, incluyendo acetilación, fosforilación, poliglutamación, poliglicilación y detirosinación . La mayoría de estas modificaciones son reversibles y todas, excepto la acetilación, ocurren en los terminales carboxílicos altamente variables de las subunidades α y β de tubulina.
La primera evidencia de acetilación de tubulinas se obtuvo con una tubulina flagelar de la alga unicelular Polytomella . Desde entonces, se ha observado acetilación de tubulina en vertebrados, insectos, nematodos y plantas, en todos los cuales el grupo acetilo está unido al grupo ε-amino de lisina 40. La α-tubulina acetiltransferasa se purificó de la alga unicelular flagelada Chlamydomonas y del cerebro de mamíferos y se demostró que tenía una masa molecular de 62-67 kDa . Durante la purificación de la enzima a partir de Clamidomonas, se obtuvieron pruebas de una desacetilasa de tubulina y de un inhibidor de la α-tubulina acetiltransferasa. En Chlamydomonas, la acetiltransferasa de tubulina exhibe una doble preferencia por la tubulina polimerizada sobre la soluble, pero en las células HeLa la acetilación ocurre principalmente después de la polimerización . En general, la acetilación puede ocurrir rápidamente, casi de inmediato, y la tubulina acetilada, por lo tanto, no delimita necesariamente los microtúbulos antiguos. Se ha encontrado cierta correlación entre la acetilación de α-tubulina y la estabilidad de los microtúbulos . Los microtúbulos acetilados comúnmente resisten el desmontaje inducido por fármacos, pero no el desmontaje inducido por frío, aunque en algunas células un subconjunto de microtúbulos acetilados es resistente al frío . Sin embargo, todavía no está claro cómo se determina la organización espacial intracelular de los microtúbulos acetilados. Puede haber algunos factores que limitan la actividad de la enzima acetiltransferasa a ciertos microtúbulos celulares y a regiones restringidas: los candidatos para tales factores incluyen las proteínas asociadas a microtúbulos MAP1B, MAP2 y τ, que mejoran o inhiben la interacción de la acetiltransferasa con los microtúbulos . Otra posibilidad es que la interacción de los microtúbulos con otros elementos u orgánulos del citoesqueleto regule la actividad enzimática de la acetiltransferasa.
El papel de los microtúbulos acetilados en las células sigue siendo una importante pregunta sin respuesta. La tubulina acetilada no es necesaria para la supervivencia, y un mutante del tetrahimena ciliado con lisina 40 reemplazado por arginina es indistinguible del tipo salvaje . La clonación y el análisis de la acetiltransferasa de α-tubulina de 62-67 kDa mencionados anteriormente serán críticos para comprender el papel de la acetilación de α-tubulina.