Acetilazione degli istoni
Il più studiato le proteine che sono acetilato su ε-residui di lisina includono gli istoni H2A, H2B, Hg, e H4, in cui la modifica si verifica in diversi siti amino-terminale domini di coda, e le proteine HMG, che si trovano in una varietà di eucarioti dal lievito all’uomo . La caratteristica importante dell’acetilazione dei residui di ε-lisina è che è reversibile. Gli istoni sono frequentemente sottoposti a modifiche post-traduzionali che includono acetilazione, metilazione e fosforilazione di specifici residui di arginina, lisina, istidina, serina e treonina . Queste modifiche, molte delle quali sono anche reversibili, riducono tutte le cariche positive delle strutture della coda dell’istone, alterando in modo significativo il legame istone-DNA e le interazioni tra nucleosomi e tra istoni e proteine regolatrici. Le scoperte di Gcn5p, il primo istone acetiltransferasi nucleare (HAT) e del primo istone deacetilasi (HDAC), hanno stabilito che l’acetilazione degli istoni è un importante passo di controllo nella trascrizione . Alcuni dei cappelli nucleari sono anche ben noti e ampiamente caratterizzati come fattori di trascrizione. Non sorprendentemente, l’acetilazione dell’istone sembra influenzare altri processi, tra cui la progressione del ciclo cellulare, la dinamica dei cromosomi, la replicazione del DNA, la ricombinazione e la riparazione, il silenziamento e l’apoptosi . Nonostante l’accumulo significativo di informazioni su HATs, la comprensione del preciso ruolo molecolare dell’acetilazione dell’istone nell’assemblaggio della cromatina, l’accessibilità dei fattori di trascrizione e del rimodellamento del nucleosoma è ancora sfuggente.
Ci sono oltre 20 cappelli che rientrano in diverse famiglie, elencate nella Tabella 1. Tutti i CAPPELLI agiscono in modo sito-specifico e istone-specifico, e la specificità può differire in vivo e in vitro; tale diversità che può aiutare a spiegare perché ci sono così tanti cappelli. Sorprendentemente, alcuni cappelli sono associati ad altri cappelli e coattivatori, suggerendo uno strato di complessità che non è ancora compreso. È importante notare, tuttavia, che il bilancio allo stato stazionario dell’acetilazione degli istoni sembra esercitare effetti diversi su geni diversi in contesti diversi. L’allineamento delle sequenze amminoacidiche che circondano le lisine modificate nelle proteine acetilate e la mutagenesi della proteina umana importina-α Rch1 suggeriscono che il motivo di riconoscimento del CAPPELLO possa essere GKXXP (nel codice amminoacido a lettera singola, con il residuo di ε-lisina acetilata in grassetto) .
Istone deacetilasi
Un gran numero di HDACs sono stati ora identificati, molti dei quali agiscono come corepressori della trascrizione . Le deacetilasi del lievito Rpd3p e Hda1p sono reclutate dalle proteine repressori ai promotori, causando una deacetilazione localizzata della cromatina . Le regioni specializzate della cromatina, compreso i telomeri, i centromeri ed i loci accoppiamento tipo silenti del lievito, sono trascrizionalmente inattive e formano i domini hypoacetylated del tipo di heterochromatin (imballati strettamente). La formazione di eterocromatina nel lievito è mediata dalle proteine di silenziamento Sir2p, Sir3p e Sir4p; Sir2p è stato trovato per avere attività HDAC. È interessante notare che le deacetilasi sono rilevate in alcuni complessi di rimodellamento della cromatina, che regolano i cambiamenti nella struttura della cromatina, insieme ai CAPPELLI. Poco si sa circa la specificità di HDACs, sebbene sia stato trovato che HDACi può deacetylate non solo gli istoni ma anche il fattore di trascrizione E2F1 .
Acetilazione delle proteine HMG
Le proteine HMG sono una famiglia eterogenea di proteine cromosomiche non istoniche la cui funzione non è ancora completamente compresa, nonostante la loro abbondanza e ubiquità. Un sottoinsieme di queste proteine contiene il dominio HMG, un motivo di legame al DNA che riconosce il DNA piegato o induce la flessione nel DNA duplex lineare. Due modifiche post-traduzionali, vale a dire fosforilazione e acetilazione, influenzano le proprietà di legame del DNA di HMG1. Questa proteina è reversibilmente acetilata alle lisine conservate alle posizioni 2 e 11 ed è stato indicato che la monoacetilazione alla lisina 2 di HMG1 aumenta l’affinità obbligatoria della proteina per alcuni tipi di DNA distorto . Ciò indica il possibile coinvolgimento di HMG1 nella riparazione del DNA, separato dal suo ruolo “architettonico” nei complessi nucleoproteici. Inoltre, HMG1 e HMG2 sono stati implicati nelle interazioni proteina-proteina e hanno dimostrato di facilitare il legame specifico delle proteine regolatrici-come i recettori degli ormoni steroidei, le proteine Hox e POU-domain (fattori di trascrizione dello sviluppo), p53 (un soppressore tumorale) e i fattori di trascrizione basali che legano la scatola TATA-alle loro sequenze di DNA bersaglio .
Acetilazione dei fattori di trascrizione
Nel nucleo, il DNA è strettamente confezionato in diversi ordini di struttura senza una facile accessibilità per i macchinari di trascrizione. L’acetilazione dei residui della lisina all’interno degli istoni, delle proteine del tipo di istone e delle proteine non istoniche (quali i fattori di trascrizione) recentemente è emerso come meccanismo principale usato dalla cellula per sormontare gli stati repressi della cromatina . Diversi fattori di trascrizione sono stati identificati come substrati per HATs, in particolare per la proteina HATs CREB-binding (CBP) e il suo vicino omologo p300, che sono cofattori della trascrizione genica attivata dal recettore nucleare, e il fattore associato a p300/CBP (PCAF). Queste proteine substrato di includere il attivatori trascrizionali E2F1-3 (coinvolti nella progressione attraverso G1/S del ciclo cellulare di transizione), P53, c-Jun (un fattore di trascrizione coinvolto nella risposta ai mitogeni), eritroidi Krüppel-come fattore di trascrizione (EKLF), il trascrizionale coactivator GATA1 che è necessario per il megacariocita e degli eritrociti differenziazione, il muscolo di differenziazione specifica del regolatore di MyoD, il prodotto del proto-oncogene c-myb, HMG proteina HMGI(Y), la T-fattore di cella regolamentato attivatore di trascrizione TCF (che è a valle di segnalazione Wnt proteine), fattore nucleare degli epatociti HNF-4, i fattori di trascrizione generali TFIIEß e TFIIF, il fattore di trascrizione degli eritrociti NF-E2(MafG) e il coattivatore del recettore nucleare degli ormoni steroidei ACTR ( e riferimenti in esso). L’elenco dei nuovi substrati del CAPPELLO sta crescendo rapidamente. L’acetilazione dei fattori di trascrizione può alterare la loro capacità di legare il DNA (nei casi di E2F1, p53, EKLF, GATA1 e HNF-4), di interagire con altre proteine (c-Jun, TCF, ACTR e HNF-4) o di rimanere nel nucleo (HNF-4). Inoltre, PCAF, p300 e CBP possono autoacetilarsi, facilitando i riarrangiamenti intramolecolari tra il bromodomain (che lega l’acetil-lisina) e la lisina acetilata(s); questa interazione può essere importante per l’attività di HAT e per il reclutamento di complessi di rimodellamento alla cromatina acetilata .
L’effetto dell’acetilazione sulla funzione della proteina legante il DNA dipende dalla posizione del sito modificato all’interno della proteina. Nel caso dei fattori di trascrizione p53, E2F1, EKLF e GATA-1, il sito di acetilazione si trova direttamente adiacente al dominio di legame del DNA e l’acetilazione stimola il legame del DNA . Al contrario, le lisine acetilate all’interno di HMGI (Y) sono all’interno del dominio di legame del DNA e provocano l’interruzione del legame del DNA. Pertanto, l’acetilazione non sempre stimola la trascrizione.
L’acetilazione influisce anche sulle interazioni proteina-proteina. Ad esempio, l’associazione dei recettori degli ormoni steroidei nucleari con il loro coattivatore ACTR è inibita dall’acetilazione . Apparentemente, l’acetilazione dell’istone genera un sito di riconoscimento per il bromodomain, un motivo conservato in molte proteine, compresi i cappelli . L’acetilazione dell’istone può precedere il reclutamento di attività di rimodellamento della cromatina ATP-dipendente durante l’attivazione trascrizionale. In particolare, l’HAT Gcn5p è coinvolto nella stabilizzazione del legame del complesso di rimodellamento della cromatina SWI/SNF a un promotore, e questa interazione sembra essere mediata attraverso il bromodominio Gcn5p . Ci sono alcune prove, esemplificate dal fattore di trascrizione E2F1, che l’acetilazione aumenta l’emivita della proteina .
L’acetilazione dei fattori di importazione nucleare
HATs può anche colpire altre proteine nucleari. Uno schermo di un ampio insieme di proteine coinvolte in diversi processi cellulari ha portato all’identificazione di due proteine nucleari di importazione, Rch1 e importin-α7, come substrati per l’acetiltransferasi CBP . La reazione sembrava essere specifica perché un altro fattore di importazione nucleare, importin-α3, non era un substrato per CBP. Sia p300 che CBP possono mediare l’acetilazione di Rch1 e importin-α7 in vivo, molto probabilmente nel nucleo . Il residuo acetilato, ε-Lys22, si trova all’interno del sito di legame in Rch1 per l’altro fattore di importazione nucleare, importin-β, e l’acetilazione del sito promuove l’interazione con importin-β in vitro . Pertanto, è possibile che l’importazione nucleare possa essere regolata dall’acetilazione, mediata dai cappelli p300 / CBP.
È probabile che il targeting degli enzimi HAT verso i loro substrati sia importante e possa svolgere un ruolo nella regolazione da parte di altre vie di segnalazione, come indicato dalla scoperta che la fosforilazione di p53 stimola la sua acetilazione, probabilmente aumentando l’associazione di p53 con p300 . Alcune prove indicano che l’attività dei cappelli è regolata da segnali di proliferazione e differenziazione , tramite fosforilazione o segnalazione ormonale. Ad esempio, l’attività HAT del CBP viene stimolata al limite di fase G1-S del ciclo cellulare e l’acetilazione indotta dall’ormone di ACTR reprime la funzione del recettore nucleare. Insieme, questi risultati hanno portato all’ipotesi che l’acetilazione sia una modifica normativa che può rivaleggiare con la fosforilazione nella segnalazione cellulare .
Acetilazione della tubulina
i Microtubuli sono cilindrici strutture del citoscheletro che si trovano in quasi tutti i tipi di cellule eucariotiche e sono coinvolti in una grande varietà di processi cellulari, tra cui la mitosi, ciliare e flagellari motilità, trasporto intracellulare di vescicole e organelli, e possibilmente nel determinare la morfologia di alcune cellule . La sottounità strutturale dei microtubuli è la tubulina proteica 100 kDa, che consiste di isoforme α e β che formano complessi eterodimerici e associano testa a coda per formare profilamenti e quindi lateralmente per formare le pareti dei microtubuli cilindrici. Diversi tipi di modifica post-traduzionale influenzano la funzione della tubulina, tra cui acetilazione, fosforilazione, poliglutamazione, poliglicilazione e detirosinazione . La maggior parte di queste modifiche sono reversibili e tutte, ad eccezione dell’acetilazione, si verificano nei termini carbossilici altamente variabili delle subunità α e β della tubulina.
La prima evidenza di acetilazione delle tubuline è stata ottenuta con una tubulina flagellare dall’alga unicellulare Polytomella . L’acetilazione della tubulina è stata osservata in vertebrati, insetti, nematodi e piante, in tutti i quali il gruppo acetilico è collegato al gruppo ε-amminico della lisina 40. L’α-tubulina acetiltransferasi è stata purificata dall’alga unicellulare flagellata Chlamydomonas e dal cervello dei mammiferi e ha dimostrato di avere una massa molecolare di 62-67 kDa . Durante la purificazione dell’enzima da Chlamydomonas, sono state ottenute prove per una tubulina deacetilasi e per un inibitore della α-tubulina acetiltransferasi. Nei Chlamydomonas, la tubulina acetiltransferasi presenta una duplice preferenza per la tubulina polimerizzata rispetto alla tubulina solubile, ma nelle cellule HeLa l’acetilazione si verifica principalmente dopo la polimerizzazione . Generalmente, l’acetilazione può avvenire rapidamente-quasi immediatamente-e la tubulina acetilata non delimita necessariamente i vecchi microtubuli. È stata trovata una certa correlazione tra acetilazione di α-tubulina e stabilità dei microtubuli . I microtubuli acetilati resistono comunemente allo smontaggio indotto dal farmaco ma non allo smontaggio indotto dal freddo, sebbene in alcune cellule un sottoinsieme di microtubuli acetilati sia resistente al freddo . Non è ancora chiaro, tuttavia, come viene determinata l’organizzazione spaziale intracellulare dei microtubuli acetilati. Ci possono essere alcuni fattori che limitano l’attività dell’enzima acetiltransferasi a determinati microtubuli cellulari ea regioni ristrette: i candidati per tali fattori includono le proteine associate ai microtubuli MAP1B, MAP2 e τ, che migliorano o inibiscono l’interazione dell’acetiltransferasi con i microtubuli . Un’altra possibilità è che l’interazione di microtubuli con altri elementi citoscheletrici o organelli regola l’attività dell’enzima acetiltransferasi.
Il ruolo dei microtubuli acetilati nelle cellule rimane un’importante domanda senza risposta. La tubulina acetilata non è richiesta per la sopravvivenza e un mutante della tetraimena ciliata con lisina 40 sostituita con arginina è indistinguibile dal tipo selvaggio . La clonazione e l’analisi della 62-67 kDa α-tubulina acetiltransferasi di cui sopra saranno fondamentali per comprendere il ruolo dell’acetilazione α-tubulina.