Acetiltransferasa de histona
Enzimas que catalizan la transferencia del grupo acilo desde el acetil-CoA a las histonas
Acetiltransferasa de histona GCN5
Homo24-mer del dominio de la acetiltransferasa de histona GCN5, humano. Estructura basada en PDB : 5trm [1]
Identificadores
N.º CE2.3.1.48
N.º CAS9054-51-7
Bases de datos
IntEnzVista de IntEnz
BRENDAEntrada de BRENDA
ExpasíVista de NiceZyme
BARRILEntrada de KEGG
MetaCiclovía metabólica
PRIAMOperfil
Estructuras del PDBRCSB AP APBE APSUMA
Ontología genéticaAmiGO / QuickGO
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Instituto Nacional de BiologíaProteínas

Las acetiltransferasas de histonas ( HAT ) son enzimas que acetilan aminoácidos lisina conservados en proteínas histonas mediante la transferencia de un grupo acetilo desde acetil-CoA para formar ε- N -acetil-lisina. El ADN se envuelve alrededor de las histonas y, al transferir un grupo acetilo a las histonas, los genes pueden activarse y desactivarse. En general, la acetilación de histonas aumenta la expresión génica.

En general, la acetilación de histonas está vinculada a la activación transcripcional y asociada con la eucromatina . La eucromatina, que es menos densa y compacta, permite que los factores de transcripción se unan más fácilmente a los sitios reguladores del ADN, lo que provoca la activación transcripcional. Cuando se descubrió por primera vez, se pensó que la acetilación de la lisina neutraliza la carga positiva normalmente presente, reduciendo así la afinidad entre la histona y el ADN (cargado negativamente), lo que hace que el ADN sea más accesible a los factores de transcripción . Desde entonces, han surgido investigaciones que demuestran que la acetilación de la lisina y otras modificaciones postraduccionales de las histonas generan sitios de unión para dominios específicos de interacción proteína-proteína, como el bromodominio de unión a la acetil-lisina [ cita requerida ] . Las acetiltransferasas de histonas también pueden acetilar proteínas que no son histonas, como los receptores nucleares y otros factores de transcripción para facilitar la expresión génica.

Familias HAT

Las HAT se dividen tradicionalmente en dos clases diferentes según su localización subcelular. [2] Las HAT de tipo A se encuentran en el núcleo y están involucradas en la regulación de la expresión génica a través de la acetilación de histonas nucleosomales en el contexto de la cromatina. [3] Contienen un bromodominio , que las ayuda a reconocer y unirse a residuos de lisina acetilados en sustratos de histonas. Gcn5, p300/CBP y TAF II 250 son algunos ejemplos de HAT de tipo A que cooperan con activadores para mejorar la transcripción. Las HAT de tipo B se encuentran en el citoplasma y son responsables de acetilar las histonas recién sintetizadas antes de su ensamblaje en nucleosomas . Estas HAT carecen de un bromodominio, ya que sus objetivos no están acetilados. Los grupos acetilo agregados por las HAT de tipo B a las histonas son eliminados por las HDAC una vez que ingresan al núcleo y se incorporan a la cromatina . Hat1 es uno de los pocos ejemplos conocidos de una HAT tipo B. [4] A pesar de esta clasificación histórica de las HAT, algunas proteínas HAT funcionan en múltiples complejos o ubicaciones y, por lo tanto, no encajarían fácilmente en una clase particular. [5]

Tamaños relativos y ubicaciones de dominios importantes para HAT representativos (HAT = dominio de acetiltransferasa catalítica; Bromo = bromodominio; Cromo = cromodominio; Zn = dominio de dedo de zinc). El número de residuos de aminoácidos en cada HAT se indica a la derecha de cada ejemplo.

Las HAT se pueden agrupar en varias familias diferentes según la homología de secuencia, así como las características estructurales y los roles funcionales compartidos. La familia de N -acetiltransferasas (GNAT) relacionadas con Gcn5 incluye Gcn5, PCAF , Hat1, Elp3 , Hpa2, Hpa3, ATF-2 y Nut1. Estas HAT se caracterizan generalmente por la presencia de un bromodominio y se ha descubierto que acetilan residuos de lisina en las histonas H2B , H3 , [6] y H4 . [2] Todos los miembros de la familia GNAT se caracterizan por hasta cuatro motivos conservados (AD) que se encuentran dentro del dominio catalítico HAT. Esto incluye el motivo A más altamente conservado, que contiene una secuencia Arg/Gln-XX-Gly-X-Gly/Ala que es importante para el reconocimiento y la unión de acetil-CoA . [4] El motivo C se encuentra en la mayoría de las GNAT, pero no está presente en la mayoría de las otras HAT conocidas. [5] La HAT Gcn5 (general control nonderepressible-5) de levadura es uno de los miembros mejor caracterizados de esta familia. Tiene cuatro dominios funcionales, incluido un dominio N-terminal, un dominio catalítico altamente conservado (HAT), un dominio de interacción Ada2 y un bromodominio C-terminal. PCAF (factor asociado a p300/CBP) y GCN5 son GNAT de mamíferos que comparten un alto grado de homología a lo largo de sus secuencias. Estas proteínas tienen una región N-terminal de 400 residuos que está ausente en Gcn5 de levadura, pero sus funciones HAT están conservadas evolutivamente con respecto a esta última. Hat1 fue la primera proteína HAT en ser identificada. Es responsable de la mayor parte de la actividad HAT citoplasmática en levadura, y se une fuertemente a la histona H4 en virtud de su asociación con una subunidad adicional, Hat2. Elp3 es un ejemplo de una HAT de tipo A que se encuentra en levadura. Es parte de la holoenzima ARN polimerasa II y juega un papel en la elongación transcripcional .

Gorros Myst

La familia MYST de HAT recibe su nombre de sus cuatro miembros fundadores MOZ , Ybf2 (Sas3), Sas2 y Tip60 . [2] Otros miembros importantes incluyen Esa1 , MOF , MORF y HBO1 . Estas HAT se caracterizan típicamente por la presencia de dedos de zinc y cromodominios , y se ha descubierto que acetilan residuos de lisina en las histonas H2A , H3 y H4. Varias proteínas de la familia MYST contienen dedos de zinc, así como el motivo A altamente conservado que se encuentra entre las GNAT y que facilita la unión de acetil-CoA. [4] Una región rica en cisteína ubicada en el extremo N del dominio HAT de las proteínas MYST está involucrada en la unión de zinc, que es esencial para la actividad HAT. [7] Tip60 (proteína interactiva con Tat, 60 kDa) fue el primer miembro de la familia MYST humana en exhibir actividad HAT. Sas3 encontrado en levadura es un homólogo de MOZ (proteína de dedo de zinc de leucemia monocítica), que es un oncogén encontrado en humanos. Esa1 fue el primer HAT esencial que se encontró en levadura, y MOF es su homólogo en moscas de la fruta. La actividad HAT de este último es necesaria para el doble aumento de la transcripción del cromosoma X masculino ( compensación de dosis ) en moscas. HBO1 humano (HAT unido a ORC1) fue el primer HAT que se demostró que se asocia con componentes del complejo de origen de replicación . MORF (factor relacionado con MOZ) exhibe una homología muy cercana a MOZ en toda su longitud. [5] Contiene una región de represión N-terminal que disminuye su actividad HAT in vitro , así como un dominio de activación C-terminal que es funcional en ausencia del dominio HAT.

Otros

Además de las que son miembros de las familias GNAT y MYST, existen otras proteínas que se encuentran típicamente en eucariotas superiores que exhiben actividad HAT. Estas incluyen p300/CBP, coactivadores de receptores nucleares (p. ej., ACTR/SRC-1), TAF II 250, TFIIIC, Rtt109 y CLOCK . p300/CBP son específicos de los metazoos [8] y contienen varias regiones de dedos de zinc, un bromodominio, un dominio catalítico (HAT) y regiones que interactúan con otros factores de transcripción. [4] Es importante destacar que el dominio HAT no muestra homología de secuencia con otras HAT conocidas, [9] y es necesario para que p300/CBP funcione en la activación transcripcional. [4] Además, estas proteínas contienen varios motivos de dominio HAT (A, B y D) que son similares a los de las GNAT. También poseen un nuevo motivo E que es homólogo a las secuencias en los dominios HAT de las GNAT. TFIIIC es uno de los factores de transcripción generales involucrados en la transcripción mediada por la ARN polimerasa III . Se ha demostrado que tres componentes de la proteína humana poseen actividad HAT independiente ( hTFIIIC220 , hTFIIIC110 y hTFIIIC90 ). [10] Rtt109 es una HAT específica de hongos que requiere la asociación con proteínas chaperonas de histonas para la actividad. [8] Las actividades HAT de los coactivadores humanos TAF II 250 y CLOCK no se han estudiado tan extensamente. TAF II 250 es una de las subunidades del factor asociado a TBP de TFIID , y comparte un patrón Gly-X-Gly con Gcn5 que es importante para la actividad HAT. [5] CLOCK es un regulador maestro del ritmo circadiano que funciona con BMAL1 para llevar a cabo su actividad HAT. [11]

Coactivadores de receptores nucleares

Tres coactivadores de receptores nucleares importantes que muestran actividad HAT son SRC-1 , ACTR y TIF-2 . Se sabe que el SRC-1 humano (coactivador del receptor de esteroides-1) interactúa con p300/CBP y PCAF, y su dominio HAT se encuentra en su región C-terminal. ACTR (también conocido como RAC3, AIB1 y TRAM-1 en humanos) comparte una homología de secuencia significativa con SRC-1, en particular en las regiones N-terminal y C-terminal (HAT), así como en los dominios de interacción del receptor y el coactivador. [5] ACTR también interactúa con p300/CBP y PCAF. El primero puede evitar que ACTR se una y active su receptor acetilándolo en su dominio de interacción con el receptor. TIF-2 (factor intermediario transcripcional 2; también conocido como GRIP1) es otro coactivador de receptores nucleares con actividad HAT, y también interactúa con p300/CBP.

A continuación se presenta una tabla que resume las diferentes familias de HAT junto con sus miembros asociados, organismos parentales, complejos multisubunidades, sustratos de histonas y características estructurales. [2] [5] [8] [10 ] [12 ] [13] [14] [15] [16] [17]

FamiliaMiembrosOrganismoComplejos asociadosEspecificidad del sustratoCaracterísticas estructurales
MOSQUITOGcn5S. cerevisiaeSAGA, SLIK (SALSA), ADA,

Sombrero-A2

H2B, H3, (H4)Bromodominio
GCN5D. melanogasterSAGA, ATACH3, H4Bromodominio
GCN5Homo sapiensESTADIO, TFTCH3, (H4, H2B)Bromodominio
Fuerza Aérea de los Estados UnidosHomo sapiensFuerza Aérea de los Estados UnidosH3, H4Bromodominio
Sombrero1S. cerevisiae
H. sapiens		Sombrero-B, NuB4, Sombrero-A3H4, (H2A)
Elp3S. cerevisiaeAlargadorH3, H4, (H2A, H2B)
Hpa2S. cerevisiaeSOMBRERO-BH3, H4
Hpa3S. cerevisiaeH3, H4
ATF-2S. cerevisiae
H. sapiens		H2B, H4
Tuerca 1S. cerevisiaeMediadorH3, H4
MISTEsa1S. cerevisiaeNuA4, pequeño NuA4H2A, H4, (H2B, H3)Cromodominio
Sas2S. cerevisiaeSAS, NuA4H4, (H2A, H3)
Sas3 (Ybf2)S. cerevisiaeNuA3H3, (H4, H2A)
Consejo 60Homo sapiensConsejo 60, NuA4H2A, H4, (H3)Cromodominio
Ministerio de FinanzasD. melanogasterLMSH4, (H2A, H3)Cromodominio
MOZHomo sapiensLMSH3, H4
MorfHomo sapiensLMSH3, H4
HBO1Homo sapiensORCOH3, H4
p300/CBPp300Homo sapiensH2A, H2B, H3, H4Bromodominio
CBPHomo sapiensH2A, H2B, H3, H4Bromodominio
Fuente de origen

(coactivadores de receptores nucleares)

SRC-1Homo sapiensACTR/SRC-1H3, H4
ACTR (RAC3, AIB1, TRAM-1, SRC-3)Homo sapiensACTR/SRC-1H3, H4
TIF-2 (GRIP1)Homo sapiensH3, H4
OtroTAF II 250 (TAF1)S. cerevisiae
H. sapiens		Identificación de factores de crecimientoH3, H4, (H2A)Bromodominio
TFIIIC (pág. 220, pág. 110, pág. 90)Homo sapiensTFIIICH2A, H3, H4
Rtt109S. cerevisiaeChaperonas de histonasH3
RELOJHomo sapiensH3, H4

Estructura general

Estructura cristalina de Tetrahymena Gcn5 con la coenzima A unida y el péptido histona H3 (PDB 1QSN). Se muestran el núcleo central (verde), los segmentos N- y C-terminales que lo flanquean (azul), la coenzima A (naranja) y el péptido histona (rojo).

En general, las HAT se caracterizan por una región central estructuralmente conservada formada por una lámina β de tres hebras seguida de una hélice α larga paralela a ella y que abarca un lado de ella. [7] [8] La región central, que corresponde a los motivos A, B y D de las proteínas GNAT, [4] está flanqueada en lados opuestos por segmentos α/β N- y C-terminales que son estructuralmente únicos para una familia HAT dada. [7] [8] El núcleo central y los segmentos flanqueantes juntos forman una hendidura sobre el primero, que es donde los sustratos de histonas pueden unirse antes de la catálisis. [8] Mientras que el dominio del núcleo central (motivo A en las GNAT) está involucrado en la unión y catálisis de acetil-CoA, los segmentos N- y C-terminales ayudan en la unión de sustratos de histonas. [7] Las características únicas relacionadas con la secuencia y/o estructura de las regiones N- y C-terminales para diferentes familias de HAT pueden ayudar a explicar algunas diferencias observadas entre las HAT en la especificidad del sustrato de las histonas. Se ha observado que la unión de CoA ensancha el surco de unión de las histonas en el núcleo central al mover el segmento C-terminal de Gcn5 hacia afuera. Además, dado que los contactos entre CoA y proteína facilitan la formación de contactos histona-proteína favorables, es probable que la unión de CoA preceda a la unión de las histonas in vivo .

Familias GNAT y MYST

Las HAT de la familia GNAT se caracterizan principalmente por un dominio HAT de aproximadamente 160 residuos y un bromodominio C-terminal, que se une a residuos de lisina acetilada. [7] Las de la familia MYST tienen dominios HAT de aproximadamente 250 residuos de longitud. Muchas proteínas MYST también contienen un dominio de unión a zinc rico en cisteína dentro de la región HAT, además de un cromodominio N-terminal, que se une a residuos de lisina metilados .

En una escala más amplia, las estructuras de los dominios catalíticos de las proteínas GNAT (Gcn5, PCAF) exhiben un pliegue globular α/β mixto con un total de cinco hélices α y seis cadenas β. [4] La topología general se asemeja a una prensa , con el núcleo central de la proteína en la base y los segmentos N y C terminales en los lados.

Familia p300/CBP

Las HAT p300/CBP tienen dominios HAT más grandes (alrededor de 500 residuos) que los presentes en las familias GNAT y MYST. [7] También contienen un bromodominio, así como tres dominios ricos en cisteína/histidina que se cree que median las interacciones con otras proteínas. La estructura de p300/CBP se caracteriza por un dominio globular alargado, que contiene una lámina β de siete cadenas en el centro que está rodeada por nueve hélices α y varios bucles. [9] La estructura de la región del núcleo central asociada con la unión de acetil-CoA se conserva con respecto a las HAT GNAT y MYST, pero hay muchas diferencias estructurales en las regiones que flanquean este núcleo central. En general, los datos estructurales son consistentes con el hecho de que las HAT p300/CBP son más promiscuas que las HAT GNAT y MYST con respecto a la unión del sustrato.

Rtt109

La estructura de Rtt109 es muy similar a la de p300, a pesar de que solo hay un 7% de identidad de secuencia entre las dos proteínas. [9] Hay una lámina β de siete cadenas que está rodeada por hélices α, así como un bucle que está involucrado en la unión del sustrato acetil-CoA. A pesar de la estructura conservada, Rtt109 y p300/CBP son funcionalmente únicos. Por ejemplo, el sitio de unión del sustrato de la primera es más similar al de las HAT GNAT y MYST. Además, los residuos en el sitio activo de cada enzima son distintos, lo que sugiere que emplean diferentes mecanismos catalíticos para la transferencia del grupo acetilo.

Mecanismos catalíticos

El mecanismo básico catalizado por las HAT implica la transferencia de un grupo acetilo de acetil-CoA al grupo ε-amino de una cadena lateral de lisina objetivo dentro de una histona. [8] Diferentes familias de HAT emplean estrategias únicas para lograr dicha transformación.

Mecanismos catalíticos de las HAT de la familia GNAT y MYST. (A) Mecanismo general de las HAT de GNAT. (B) Mecanismo general de las HAT de MYST.

Familia GNAT

Los miembros de la familia GNAT tienen un residuo de glutamato conservado que actúa como una base general para catalizar el ataque nucleofílico de la amina de lisina en el enlace tioéster de acetil-CoA. [8] Estas HAT utilizan un mecanismo bi-bi secuencial ordenado en el que ambos sustratos (acetil-CoA e histona) deben unirse para formar un complejo ternario con la enzima antes de que pueda ocurrir la catálisis. El acetil-CoA se une primero, seguido por el sustrato de histona. Un residuo de glutamato conservado (Glu173 en la levadura Gcn5) activa una molécula de agua para la eliminación de un protón del grupo amina en la lisina, que lo activa para el ataque nucleofílico directo en el carbono carbonílico del acetil-CoA unido a la enzima. Después de la reacción, la histona acetilada se libera primero seguida de CoA. [4] [8]

Familia MYST

Los estudios de la levadura Esa1 de la familia MYST de HAT han revelado un mecanismo de ping-pong que involucra residuos de glutamato y cisteína conservados. [18] La primera parte de la reacción implica la formación de un intermediario covalente en el que un residuo de cisteína se acetila después del ataque nucleofílico de este residuo en el carbono carbonílico de acetil-CoA. Luego, un residuo de glutamato actúa como una base general para facilitar la transferencia del grupo acetilo de la cisteína al sustrato de histona de una manera análoga al mecanismo utilizado por las GNAT. Cuando Esa1 se ensambla en el complejo piccolo NuA4 , pierde su dependencia del residuo de cisteína para la catálisis, lo que sugiere que la reacción puede proceder a través de un mecanismo bi-bi ternario cuando la enzima es parte de un complejo multiproteico fisiológicamente relevante.

Familia p300/CBP

En el p300 humano, Tyr1467 actúa como un ácido general y Trp1436 ayuda a orientar el residuo de lisina objetivo del sustrato de histona hacia el sitio activo. [8] Estos dos residuos están altamente conservados dentro de la familia p300/CBP HAT y, a diferencia de las enzimas de las familias GNAT y MYST, p300 no emplea una base general para la catálisis. En cambio, es probable que los miembros de la familia p300/CBP utilicen un mecanismo de transferencia de acetilo de Theorell-Chance (es decir, de “golpe y fuga”).

Rtt109

Es probable que Rtt109 emplee un mecanismo diferente al de las otras HAT. [9] La enzima de levadura tiene una actividad catalítica muy baja en ausencia de las proteínas chaperonas de histonas Asf1 y Vps75, que pueden estar involucradas en la entrega de sustratos de histonas a la enzima para la acetilación. [8] Además, aún no se ha identificado un ácido o base general para esta HAT.

Unión y especificidad del sustrato

Las estructuras de varios dominios HAT unidos a acetil-CoA y péptidos sustrato de histonas revelan que estos últimos se unen a través de un surco en la proteína que está formado por la región central del núcleo en la base y está flanqueado en lados opuestos por los segmentos variables N- y C-terminales que median la mayoría de las interacciones con el péptido sustrato. [8] Es probable que estas regiones variables sean al menos en parte responsables de la especificidad observada de diferentes HAT para varios sustratos de histonas.

Los miembros de las familias GNAT y MYST, así como Rtt109, exhiben una mayor selectividad de sustrato que p300/CBP, que es bastante promiscuo con respecto a la unión del sustrato. [8] Mientras que parece que solo tres a cinco residuos a cada lado de la lisina que se va a acetilar son necesarios para la unión efectiva del sustrato y la catálisis por parte de los miembros de las familias GNAT y p300/CBP, las regiones más distales del sustrato pueden ser importantes para una acetilación eficiente por parte de los HAT de la familia MYST. [19]

Selectividad de lisina

Se ha demostrado que diferentes HAT, generalmente en el contexto de complejos multisubunidades, acetilan residuos de lisina específicos en las histonas.

Familia GNAT

Gcn5 no puede acetilar histonas nucleosomales en ausencia de otros factores proteicos. [5] Sin embargo, en el contexto de complejos como SAGA y ADA, Gcn5 puede acetilar H3K14 entre otros sitios dentro de las histonas H2B, H3 y H4 (por ejemplo, H3K9, H3K36, H4K8, H4K16). [3] [4] [7] [19] Tanto Gcn5 como PCAF tienen la preferencia de sitio más fuerte por H3K14, ya sea como histona libre o dentro de un nucleosoma. [4] [7] Hat1 acetila H4K5 y H4K12, y Hpa2 acetila H3K14 in vitro . [4] [5]

Familia MYST

En las moscas, la acetilación de H4K16 en el cromosoma X masculino por MOF en el contexto del complejo MSL se correlaciona con la regulación positiva transcripcional como un mecanismo para la compensación de la dosis en estos organismos. [2] En los seres humanos, el complejo MSL lleva a cabo la mayor parte de la acetilación de H4K16 en todo el genoma. En el contexto de sus complejos cognados, Sas2 (SAS) y Esa1 (NuA4) también llevan a cabo la acetilación de H4K16, en particular en las regiones teloméricas de los cromosomas. También se observa que Sas2 acetila H3K14 in vitro en histonas libres. [12] Esa1 también puede acetilar H3K14 in vitro en histonas libres, así como H2AK5, H4K5, H4K8 y H4K12, ya sea in vitro o in vivo , en histonas nucleosomales. También se observa que H2AK7 y H2BK16 son acetilados por Esa1 in vivo . Cabe destacar que ni Sas2 ni Esa1 pueden acetilar histonas nucleosomales in vitro como enzima libre. Esto también sucede con Sas3, que acetila H3K9 y H3K14 in vivo , así como residuos de lisina en H2A y H4. MOZ también puede acetilar H3K14. [19]

Otros

p300/CBP acetila igualmente bien las cuatro histonas del núcleo nucleosómico. [4] In vitro , se ha observado que acetilan H2AK5, H2BK12, H2BK15, H3K14, H3K18, H4K5 y H4K8. [5] SRC-1 acetila H3K9 y H3K14, TAF II 230 (homólogo de Drosophila de TAF II 250 humano) acetila H3K14 y Rtt109 acetila H3K9, H3K23, [19] y H3K56 en presencia de Asf1 o Vps75. [9]

Sustratos no histónicos (in vitro)

Además de las histonas centrales, ciertas HAT acetilan una serie de otras proteínas celulares, incluidos activadores transcripcionales , factores de transcripción basal , proteínas estructurales, poliaminas y proteínas involucradas en la importación nuclear. [4] La acetilación de estas proteínas puede alterar su capacidad para interactuar con su ADN afín y/o sustratos proteicos. La idea de que la acetilación puede afectar la función proteica de esta manera ha llevado a la investigación sobre el papel de las acetiltransferasas en las vías de transducción de señales y si se puede hacer una analogía apropiada con las quinasas y los eventos de fosforilación a este respecto.

Fuerza Aérea de los Estados Unidos

PCAF y p300/CBP son las principales HAT que se ha observado que acetilan varias proteínas no histonas. Para PCAF, estas incluyen las proteínas de cromatina no histona ( grupo de alta movilidad (HMG) ) HMG-N2/HMG17 y HMG-I(Y) , los activadores transcripcionales p53 , MyoD , E2F(1-3) y HIV Tat , y los factores de transcripción generales TFIIE y TFIIF . [5] Otras proteínas incluyen CIITA , Brm (remodelador de cromatina), NF-κB (p65), TAL1/SCL , Beta2/NeuroD , C/EBPβ , IRF2 , IRF7 , YY1 , KLF13 , EVI1 , AME, ER81 y el receptor de andrógenos (AR) . [20] También se ha observado que PCAF acetila c-MYC , GATA-2 , retinoblastoma (Rb) , Ku70 y proteína de adenovirus E1A . [21] También puede autoacetilarse, lo que facilita las interacciones intramoleculares con su bromodominio que puede estar involucrado en la regulación de su actividad HAT. [4]

p300/CBP

p300/CBP tiene muchos sustratos no histónicos, incluidas las proteínas de cromatina no histónicas HMG1 , HMG-N1/HMG14 y HMG-I(Y), los activadores transcripcionales p53, c-Myb , GATA-1 , EKLF , TCF y HIV Tat, los coactivadores del receptor nuclear ACTR, SRC-1 y TIF-2, y los factores de transcripción generales TFIIE y TFIIF. [5] Otros sustratos incluyen los factores de transcripción Sp1, KLF5 , FOXO1 , MEF2C , SRY , GATA-4 y HNF-6 , [12] HMG-B2 , [21] STAT3 , los receptores de andrógenos y estrógenos (α) , GATA-2, GATA-3 , MyoD, E2F(1-3), p73 α, retinoblastoma (Rb), NF-κB (p50, p65), Smad7 , importina-α , Ku70, YAP1 , [22] proteína de adenovirus E1A y S-HDAg ( antígeno delta pequeño del virus de la hepatitis delta ). [21] También se ha observado que p300/CBP acetila β-catenina , RIP140 , PCNA , las enzimas metabólicas del ADN flap endonucleasa-1 , la ADN glicosilasa de timina y la ADN helicasa del síndrome de Werner , STAT6 , Runx1 (AML1) , UBF, Beta2/NeuroD, CREB , c-Jun , C/EBPβ, NF-E2 , SREBP , IRF2, Sp3 , YY1, KLF13, EVI1, BCL6 , HNF-4 , ER81 y FOXO4 (AFX) . [20]

Complejos HAT multisubunitarios

Se ha observado que la formación de complejos multisubunidades modula la especificidad del sustrato de las HAT. [12] En general, mientras que las HAT recombinantes pueden acetilar histonas libres, las HAT pueden acetilar histonas nucleosomales solo cuando están en sus respectivos complejos HAT in vivo . [5] Algunas de las proteínas que se asocian con las HAT en estos complejos funcionan dirigiendo el complejo HAT a los nucleosomas en regiones específicas del genoma . [2] [12] Por ejemplo, se ha observado que los complejos HAT (por ejemplo, SAGA, NuA3) a menudo utilizan histonas metiladas como sitios de acoplamiento para que la subunidad catalítica HAT pueda llevar a cabo la acetilación de histonas de manera más efectiva. [2]

Además, la formación de complejos HAT multisubunidad influye en la especificidad de lisina de los HAT. [12] Los residuos de lisina específicos que un HAT determinado acetila pueden volverse más amplios o más restringidos en alcance al asociarse con su complejo respectivo. Por ejemplo, la especificidad de lisina de los HAT de la familia MYST hacia sus sustratos de histonas se vuelve más restringida cuando se asocian con sus complejos. En contraste, Gcn5 adquiere la capacidad de acetilar múltiples sitios en ambas histonas H2B y H3 cuando se une a otras subunidades para formar los complejos SAGA y ADA. [4] Además, la especificidad del sitio de acetilación de Rtt109 está dictada por su asociación con Vps75 o Asf1. [19] Cuando está en complejo con el primero, Rtt109 acetila H3K9 y H3K27, pero, cuando está en complejo con el último, acetila preferentemente H3K56. [8]

Regulación de la actividad de HAT

La actividad catalítica de las HAT está regulada por dos tipos de mecanismos: (1) interacción con subunidades de proteínas reguladoras y (2) autoacetilación. [8] Una HAT dada puede regularse de múltiples maneras, y el mismo efector puede en realidad conducir a diferentes resultados en diferentes condiciones. [4] Aunque está claro que la asociación de las HAT con complejos multiproteicos proporciona un mecanismo para la regulación tanto de la actividad de la HAT como de la especificidad del sustrato in vivo , la base molecular de cómo ocurre esto realmente todavía es en gran medida desconocida. [8] Sin embargo, los datos sugieren que las subunidades asociadas pueden contribuir a la catálisis al menos en parte al facilitar la unión productiva del complejo HAT a sus sustratos de histonas nativos.

Se ha demostrado que la familia MYST de HAT, p300/CBP y Rtt109 están reguladas por autoacetilación. [8] El MOF humano, así como Esa1 y Sas2 de levadura, se autoacetilan en un residuo de lisina del sitio activo conservado, y esta modificación es necesaria para su función in vivo . El p300 humano contiene un bucle altamente básico incrustado en el medio de su dominio HAT que está hiperacetilado en la forma activa de la enzima. [8] [9] Se ha propuesto que, tras la autoacetilación, este bucle se libera del sitio de unión del sustrato electronegativo donde se encuentra en el HAT inactivo. [23] La acetilación de Rtt109 de levadura en Lys290 también es necesaria para que muestre una actividad catalítica completa. [24] Algunos HAT también se inhiben por acetilación. Por ejemplo, la actividad HAT del coactivador del receptor nuclear ACTR se inhibe tras la acetilación por p300/CBP. [4]

Interacción con HDAC

Las histonas acetiltransferasas (HAT) y las histonas desacetilasas (HDAC) se reclutan hacia sus promotores objetivo a través de interacciones físicas con factores de transcripción específicos de la secuencia. Por lo general, funcionan dentro de un complejo de múltiples subunidades en el que las otras subunidades son necesarias para que modifiquen los residuos de histonas alrededor del sitio de unión. Estas enzimas también pueden modificar proteínas que no son histonas.

Papel biológico

Remodelación de la cromatina

Las colas de histonas y su función en la formación de la cromatina

Las histonas acetiltransferasas cumplen muchas funciones biológicas dentro de la célula. La cromatina es una combinación de proteínas y ADN que se encuentra en el núcleo y sufre muchos cambios estructurales a medida que ocurren diferentes eventos celulares como la replicación del ADN , la reparación del ADN y la transcripción . [25] La cromatina en la célula se puede encontrar en dos estados: condensada y no condensada. La última, conocida como eucromatina , es transcripcionalmente activa, mientras que la primera, conocida como heterocromatina , es transcripcionalmente inactiva. [25] [26] Las histonas comprenden la porción proteica de la cromatina. Hay cinco proteínas histonas diferentes : H1, H2A, H2B, H3 y H4. Una histona central se forma cuando dos de cada subtipo de histona, excluyendo H1, forman un complejo cuaternario. Este complejo octamérico, en asociación con los 147 pares de bases de ADN enrollados a su alrededor, forma el nucleosoma . [4] La histona H1 une el complejo del nucleosoma y es la última proteína que se une al complejo.

Las histonas tienden a ser proteínas con carga positiva y colas N-terminales que se originan en el núcleo. La estructura fosfodiéster del ADN es negativa, lo que permite interacciones iónicas fuertes entre las proteínas histonas y el ADN. Las acetiltransferasas de histonas transfieren un grupo acetilo a residuos de lisina específicos en las histonas, lo que neutraliza su carga positiva y, por lo tanto, reduce las interacciones fuertes entre la histona y el ADN. [25] También se cree que la acetilación perturba las interacciones entre nucleosomas individuales y actúa como sitios de interacción para otras proteínas asociadas al ADN. [4]

Puede haber diferentes niveles de acetilación de histonas, así como otros tipos de modificaciones, lo que permite que la célula tenga control sobre el nivel de empaquetamiento de la cromatina durante diferentes eventos celulares, como la replicación, la transcripción, la recombinación y la reparación. La acetilación no es la única modificación postraduccional reguladora de las histonas que dicta la estructura de la cromatina; también se han descrito la metilación, la fosforilación, la ADP-ribosilación y la ubiquitinación. [4] [25] Estas combinaciones de diferentes modificaciones covalentes en las colas N-terminales de las histonas se han denominado código de histonas , y se cree que este código puede ser hereditario y conservarse en la siguiente generación celular. [26]

Las proteínas histonas H3 y H4 son los objetivos principales de las HAT, pero H2A y H2B también se acetilan in vivo . Las lisinas 9, 14, 18 y 23 de H3 y las lisinas 5, 8, 12 y 16 de H4 son todas objetivo de la acetilación. [4] [25] Las lisinas 5, 12, 15 y 20 se acetilan en la histona H2B, mientras que solo se ha observado que las lisinas 5 y 9 se acetilan en la histona H2A. [4] [25] [26] Con tantos sitios diferentes para la acetilación, se puede lograr un alto nivel de especificidad para desencadenar respuestas específicas. Un ejemplo de esta especificidad es cuando la histona H4 se acetila en las lisinas 5 y 12. Este patrón de acetilación se ha observado durante la síntesis de histonas. Otro ejemplo es la acetilación de H4K16, que se ha asociado con la compensación de la dosis del cromosoma X masculino en Drosophila melanogaster . [2] [4]

Expresión genética

Esquema que muestra el papel de las HAT en la transcripción genética.

Las modificaciones de las histonas modulan el empaquetamiento de la cromatina. El nivel de empaquetamiento del ADN es importante para la transcripción génica, ya que la maquinaria transcripcional debe tener acceso al promotor para que se produzca la transcripción. [4] La neutralización de los residuos de lisina cargados por las HAT permite que la cromatina se descondense para que esta maquinaria tenga acceso al gen que se va a transcribir. Sin embargo, la acetilación no siempre se asocia con una actividad transcripcional mejorada. Por ejemplo, la acetilación de H4K12 se ha asociado con una cromatina condensada e inactiva desde el punto de vista transcripcional. [27] Además, algunas modificaciones de las histonas se asocian con una actividad mejorada y reprimida, de manera dependiente del contexto. [28]

Las HAT actúan como coactivadores transcripcionales o silenciadores genéticos y se encuentran con mayor frecuencia en grandes complejos compuestos de 10 a 20 subunidades, algunas de las cuales se comparten entre diferentes complejos HAT. [25] Estos complejos incluyen SAGA (acetiltransferasa Spt/Ada/Gcn5L), PCAF, ADA (adaptador transcripcional), TFIID (factor de transcripción II D), TFTC (complejo que contiene TAF sin TBP) y NuA3/NuA4 (acetiltransferasas nucleosomales de H3 y H4). [2] [25] Estos complejos modulan la especificidad de las HAT al llevarlas a sus genes diana donde luego pueden acetilar histonas nucleosomales. [25] Algunos coactivadores transcripcionales de las HAT contienen un bromodominio , un módulo de 110 aminoácidos que reconoce residuos de lisina acetilados y está vinculado funcionalmente a los coactivadores en la regulación de la transcripción. [29]

Importancia clínica

La capacidad de las histonas acetiltransferasas para manipular la estructura de la cromatina y establecer un marco epigenético las hace esenciales para el mantenimiento y la supervivencia celular. El proceso de remodelación de la cromatina involucra varias enzimas, incluidas las HAT, que ayudan en la reformación de los nucleosomas y son necesarias para que funcionen los sistemas de reparación de daños en el ADN. [30] Las HAT se han implicado como accesorios para la progresión de la enfermedad, específicamente en trastornos neurodegenerativos. Por ejemplo, la enfermedad de Huntington es una enfermedad que afecta las habilidades motoras y las capacidades mentales. La única mutación conocida que se ha implicado en la enfermedad está en la región N-terminal de la proteína huntingtina (htt) . [31] Se ha informado que htt interactúa directamente con las HAT y reprime la actividad catalítica de p300/CBP y PCAF in vitro .

El síndrome de envejecimiento prematuro humano, progeria de Hutchinson Gilford, es causado por un defecto mutacional en el procesamiento de la lámina A , una proteína de la matriz nuclear . En un modelo murino de esta condición, el reclutamiento de proteínas reparadoras a los sitios de daño del ADN se retrasa. El mecanismo molecular subyacente a esta respuesta de reparación retrasada implica un defecto de acetilación de histonas. [32] Específicamente, la histona H4 está hipoacetilada en un residuo de lisina 16 (H4K16) y este defecto se debe a la asociación reducida de la histona acetiltransferasa, Mof, a la matriz nuclear [32]

La ataxia espinocerebelosa tipo 1 es una enfermedad neurodegenerativa que surge como resultado de una proteína Ataxina-1 mutante defectuosa . La Ataxina-1 mutante reduce la acetilación de histonas, lo que da como resultado la represión de la transcripción mediada por la acetiltransferasa de histonas . [33]

Las HAT también se han asociado con el control de las funciones de aprendizaje y memoria. Los estudios han demostrado que los ratones sin PCAF o CBP muestran evidencia de neurodegeneración . [31] Los ratones con deleción de PCAF son incompetentes con respecto al aprendizaje, y aquellos con deleción de CBP parecen sufrir pérdida de memoria a largo plazo. [34]

La mala regulación del equilibrio entre la acetilación y la desacetilación también se ha asociado con la manifestación de ciertos cánceres. Si se inhiben las histonas acetiltransferasas, es posible que el ADN dañado no se repare, lo que finalmente conduce a la muerte celular. Controlar el proceso de remodelación de la cromatina dentro de las células cancerosas puede proporcionar un nuevo objetivo farmacológico para la investigación del cáncer. [35] Atacar estas enzimas dentro de las células cancerosas podría conducir a un aumento de la apoptosis debido a la alta acumulación de daño en el ADN. Uno de estos inhibidores de las histonas acetiltransferasas se llama garcinol. Este compuesto se encuentra dentro de las cáscaras de la fruta garcinia indica , también conocida como mangostán . Para explorar los efectos del garcinol sobre las histonas acetiltransferasas, los investigadores utilizaron células HeLa . Las células se sometieron a irradiación, creando roturas de doble cadena dentro del ADN, y se introdujo garcinol en las células para ver si influía en la respuesta al daño del ADN. Si el garcinol logra inhibir el proceso de unión de extremos no homólogos , un mecanismo de reparación del ADN que muestra preferencia por reparar roturas de doble cadena, [36] entonces puede servir como radiosensibilizador , una molécula que aumenta la sensibilidad de las células al daño por radiación. El aumento de la radiosensibilidad puede aumentar la eficacia de la radioterapia. [35]

Véase también

Referencias

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