Modyfikacje histonów

Kowalencyjne modyfikacje histonów
rdzeniowych
Nukleosom
Domeny globularne histonów
tworzą rdzeń (oktamer
histonowy) na który nawinięty jest
DNA, zaś nieustrukturyzowane
N-końce (oraz C-końce histonów
H2A i H2B) histonów wystają
poza strukturę nukleosomu jako
tzw. ogony histonowe.
http://en.wikipedia.org
Modyfikacje histonów rdzeniowych
•
•
•
Turner, 2002
Ponad 120 znanych miejsc
modyfikacji
Nowe rodzaje modyfikacji
oraz nowe miejsca
modyfikacji są stale
odkrywane dzięki
rozwojowi technik
spektrometrii mas
Modyfikacjom podlega
również histon łącznikowy
H1 oraz inne białka
chromatynowe
Modyfikacja
Modyfikowane reszty
aminokwasowe
Funkcja biologiczna
Aktywacja transkrypcji, replikacja
DNA, naprawa DNA, składanie
chromatyny
Aktywacja, elongacja i represja
transkrypcji
Aktywacja i represja transkrypcji,
naprawa DNA, mitoza, apoptoza
Acetylacja
K-ac
Metylacja
K-me1, K-me2, K-me3
R-me1, R-me2s, R-me2a
Fosforylacja
S-ph, T-ph, Y-ph
Ubikwitynacja
K-ub
Aktywacja transkrypcji, mejoza
Sumoilacja
K-su
Represja transkrypcji
ADP-rybozylacja
E-ar
Aktywacja transkrypcji (?)
Biotynylacja
K-bio
Regulacja ekspresji genów,
odpowiedź na uszkodzenia DNA
Krotonylacja
K-cr
Aktywacja transkrypcji (?)
Deiminacja
R → Cit
Regulacja transkrypcji
Izomeryzacja prolin
P(trans) → P(cis)
Regulacja transkrypcji
P
kinazy
S/T fosforylacja
S/T
fosfatazy
Metylotransferazy
lizynowe (KMT)
Me
K metylacja
K
Demetylazy
lizynowe (KDM)
Acetylotransferazy
histonowe (HAT)
Ac
K acetylacja
K
Deacetylazy
histonowe (HDAC)
• Większość dobrze
poznanych modyfikacji
jest odwracalna.
• Reakcje dodawania i
usuwania modyfikacji
są katalizowane przez
przeciwstawnie
działające grupy
enzymów.
• Dla wielu modyfikacji
nie są znane
wprowadzające lub
usuwające je enzymy.
Mechanizmy działania modyfikacji histonów
Zmiana struktury chromatyny
Hamowanie oddziaływania czynników białkowych
Nowe miejsca wiązania dla czynników białkowych
Modyfikacje histonów nie są rozłożone
równomiernie wzdłuż chromosomów i
obszarów genowych
http://www.wormbook.org
Hipoteza „kodu histonowego”
• Określony wzór
modyfikacji histonów
determinuje aktywność
transkrypcyjną genów
• Modyfikacje histonów
rekrutują białka
efektorowe
• Modyfikacje histonowe
mogą wzajemnie
wpływać na siebie
Kouzarides, 2007
Fosforylacja
Fosforylacja Histonu H3 jest zaangażowana
zarówno w procesy aktywacji transkrypcji jak i w
kondensację chromosomów mitotycznych i
mejotycznych
Proces fosforylacji przeprowadzają
kinazy serynowe i treoninowe, natomiast
fosfatazy odpowiedzialne są za defosforylację
Fosforylacji ulegają również reszty tyrozynowe
histonów rdzeniowych
Fosforylacja seryny 10 histonu H3 towarzyszy
kondensacji chromosomów w komórkach zwierzęcych
podczas podziałów komórkowych
Crosio C, Fimia GM, Loury R, Kimura M, Okano Y, Zhou H, Sen S, Allis CD, Sassone-Corsi P.Mitotic phosphorylation of histone H3: spatio-temporal
regulation by mammalian Aurora kinases. Mol Cell Biol. 2002 Feb;22(3):874-85.
Fosforylacja Ser-10,oraz Ser-28 towarzyszy mitotycznej kondensacji
chromosomów.
Wykazano, że mitotyczną kinazą fosforylującą Ser-10 Histonu H3 jest
kinaza Ipl1 (drożdże)/Aurora (komórki ssacze)
The kinase haspin is required for mitotic histone H3 Thr 3 Phosphorylation
and normal metaphase chromosome alignment
Jun Dai, Sammy Sultan, Stephen S. Taylor, and Jonathan M.G. Higgins
Lokalizacja fosforylowanego w treoninie 3 histonu H3
Fosforylacja seryny 31 histonu H3.3 jest zlokalizowana w
obszarach okołocentromerowych chromosomów metafazalnych
Sandra B. Hake, Benjamin A. Garcia, Monika Kauer, Stephen P. Baker, Jeffrey Shabanowitz, Donald F. Hunt,
and C. David Allis, PNAS 2005
aktywacja transkrypcji
Fosforylacja Ser-10 Histonu H3 zachodzi podczas aktywacji
kaskady kinaz MAPK (ang. mitogen-activated protein kinase).
W wyniku działania kaskady kinaz MAPK nastepuje indukcja
genów wczesnej odpowiedzi takich jak c-fos i c-jun
Udział modyfikacji histonów rdzeniowych podczas aktywacji genów wczesnej
odpowiedzi: odpowiedź komórek zwierzęcych na stres i czynniki stymulujące
podziały komórkowe
• szybkie, przejściowe zmiany
modyfikacji H3 (fosforylacji S10
i fosfoacetylacji)
• zmiany dotyczą tylko niewielkiej
puli histonów, związanej z genami
wczesnej odpowiedzi (immediateearly: c-fos, c-jun)
Molecular Cell, Vol. 5, 905–915
odpowiedź
nukleosomowa
Odpowiedź nukleosomowa w komórkach zwierzęcych
TRENDS in Genetics Vol.20 No.4 April 2004
Odpowiedź nukleosomowa komórek roślinnych na stres
Phosphorylation of histone H3 correlates with transcriptionally active loci
Scott J. Nowak and Victor G. Corces
GENES & DEVELOPMENT 14:3003–3013 © 2000
37°C
0 min
1 min
5 min
10 min
20 min
22°C
Zmiany na poziomie fosforylacji seryny 10 histonu H3 w odpowiedzi na szok cieplny
Molecular Basis for the Recognition of Phosphorylated and Phosphoacetylated
Histone H3 by 14-3-3
Neil Macdonald, Julie P.I. Welburn, Martin E.M. Noble, Anhco Nguyen, Michael B. Yaffe, David Clynes,
Jonathan G. Moggs,4 George Orphanides,Stuart Thomson, John W. Edmunds,Alison L. Clayton, Jane A. Endicott and
Louis C. Mahadevan1,*
Molecular Cell, Vol. 20, 199–211, October 28, 2005,
H2A
S121ph
Sc
Mec1, PIKK
odpowiedź na uszkodzeinia DNA
wyciszanie w obszarach telomerowych
T125ph
Sc
Mec1, PIKK
odpowiedź na uszkodzeinia DNA
wyciszanie w obszarach telomerowych
S128ph
Sc
Mec1, PIKK
odpowiedź na uszkodzeinia DNA
wyciszanie w obszarach telomerowych
H2AX
S139ph
Hs, Sc,
Dm, Xl,
ATM
DNA-PK
S10ph
Sc
Ste2
S14ph
Hs, Mm
Mst1
krs2 kinase
naprawa DNA
związana z fazą M
H2B
apoptoza
apoptoza
H3
T3ph Hs, Ath
S10ph Sc,
Dm,
Hs
Haspin
Snf1
Jil-1
Rsk2,
Msk1,
Msk2
IKKalfa
funkcja mitotyczna obszarów centromerowch
aktywacja transkrypcji
transkrypcyjna stymulacja chromosomu
X u samców
aktywacja transkrypcji IEG
stymulacja transkrypcji
Sc,
Ce,
An
Ipl1
AuroraB
NIMA
mitotyczna kondensacja chromosomów
mitotyczna kondensacja chromosomów
mitotyczna kondensacja chromosomów
S28ph Hs
Hs
Aurora-B
Msk1
mitotyczna kondensacja chromosomów
fosforylacja zaindukowana promieniowaniem UV
?????
mitotyczna kondensacja chromosomów
H3.3
S31ph Hs
H4
S1ph Hs, Sc
Caseine kinase II
naprawa DNA
Acetylacja
Allfrey i inni– 1964: Wykazał, że histony rdzeniowe podlegają acetylacji
Zaproponował, że modyfikacje te mają znaczenie w regulacji ekspresji genów
1996: izolacja pierwszej jądrowej acetylotransferazy histonowej
(HAT - histone acetyltransferase)
Przeciwciała specyficznie rozpoznające modyfikowane histony
Specyficzne inhibitory deacetylaz histonowych (HDAC – histone deacetylases)
Immunoprecypitacja chromatyny - ChIP
Tetrahymena Histone Acetyltransferase A:
A Homolog to Yeast Gcn5p Linking Histone Acetylation to Gene Activation
James E. Brownell, Jianxin Zhou,Tamara Ranalli,Ryuji Kobayashi, Diane G. Edmondson,Sharon Y. Roth, and C. David Allis
Cell, Vol. 84, 843–851, March 22, 1996
Izolacja genu kodującego białko p55 u Tetrahymena
Wysoki stopień homologicznośći p55 i Gcn5 wsakzuję,
że oba te białka mogą mieć aktywność acetylotransferazową
Gcn5 posiada aktywnośc acetylotransferazy histonowej (HAT)
Acetylacja histonów jest związana z wyższą
aktywnością transkrypcyjną
Acetylacja lizyn znosi dodatni ładunek
elektryczny na grupie aminowej i osłabia
oddziaływanie histonów z DNA
Acetylacja histonów rdzeniowych
rozluźnia strukturę chromatyny
acetylacja
deacetylacja
jest wrażliwa na trawienia DNasą I i MNasą
Jest dostępna dla czynników transkrypcyjnych i polimeraz
Rodziny acetylotransferaz histonowych (HAT)
GNAT (Gcn5 related acetyltransferases)
główny substrat – histon H3
MYST
główny substrat – histon H4
CBP/p300
główne substraty – histony H3 i H4
Jądrowe acetylotransferazy histonowe HATs
są znanymi koaktywatorami transkrypcji
• Gcn5p – aktywator transkrypcji wielu genów
drożdżowych (HAT)
• PCAF - (czynnik wiążący się z p300/CBP)
homologiczny do drożdżowego Gcn5p (HAT)
• p300 i CBP – podobne do siebie białka, oddziałują z
•
•
wieloma czynnikami transkrypcyjnymi (n.p. CREB, AP1 i
MyoD).
p300/CBP są niezbędne do aktywacji genów przez
oddziałujące z nimi czynniki transkrypcyjne
p300/CBP posiadają wewnętrzną aktywność
acetylotransferazową (HAT)
Acetylotransferazy histonowe występują w
dużych kompleksach białkowych
SAGA Complex
TAF90p
Tra1p
TAF25/23p
Ada3p
Spt7p
Ada1p
TAF68/61p
TAF60p
Ada2p
Act.
Spt20/
Ada5
p
Gcn5p
HAT
TAF20/17p
Spt8p
Spt3p
TBP
Ac
Ac
Ac
Ac
Ac
Ac
Ac
Ac
Drożdżowy kompleks SAGA oddziałujący z chromatyną
Histone H4-K16 Acetylation Controls Chromatin Structure
and Protein Interactions
Michael Shogren-Knaak,1*† Haruhiko Ishii,1* Jian-Min Sun,2 Michael J. Pazin,3
James R. Davie,2 Craig L. Peterson1
10 FEBRUARY 2006 VOL 311 SCIENCE
Analiza in vitro wykazała, że rekonstytuowana chromatyna zawierająca histon H4 acetylowany
w lizynie 16 nie tworzy struktury 30 nm włókna chromatynowego i hamuje działanie
kompleksu remodelującego chromatynę ACF
Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że ta pojedyncza modyfikacja moduluje zarówno
wyższorzędową strukturę chromatyny jak i funkcjonalność oddziaływań pomiędzy niehistonowymi
białkami a włóknem chromatynowym
Silnie acetylowane histony są związane z
chromatyną aktywną transkrypcyjnie
•
Podwyższona acetylacja histonów stymuluje
transkrypcję niektórych genów
•
Immunoprecypitacja za pomocą przeciwciał do
acetylowanych histonów, DNA sprzężonego z białkami
chromatyny wzbogaca w sekwencje genów aktywnie
transkrybowanych
Rola fosforylacji S10/H3 w regulacji ekspresji genów przez drożdżowy
kompleks białkowy zawierający acetylotransferazę histonową Gcn5
Molecular Cell, Vol. 5, 917–926, June, 2000 Phosphorylation of Serine 10 in Histone H3 Is Functionally Linked In Vitro and In Vivo to Gcn5Mediated Acetylation at Lysine 14 Wan-Sheng Lo 1, Raymond C. Trievel 2, Jeannie R. Rojas 2, Laura Duggan 1, Jer-Yuan Hsu 3, C. David Allis
3, Ronen Marmorstein 2, and Shelley L. Berger 1
Structural basis for histone and phosphohistone binding by the GCN5 histone acetyltransferase.
Clements, A., Poux, A.N., Lo, W.S., Pillus, L., Berger, S.L., and Marmorstein, R.
(2003). Mol. Cell 12, 461–473.
Chk1 Is a Histone H3 Threonine 11 Kinase that Regulates
DNA Damage-InducedTranscriptional Repression
Midori Shimada,1 Hiroyuki Niida,1 Doaa H. Zineldeen,1 Hideaki Tagami,2 Masafumi Tanaka,3
Hiroyuki Saito,3 and Makoto Nakanishi1,*
Cell 132, 221–232, January 25, 2008
Niektóre acetylotransferazy histonowe zawierają charakterystyczny
motyw białkowy - BROMODOMENĘ
Struktura bromodomeny jest silnie konserwowana ewolucyjnie,
ma około 110 aminokwasów, zbudowana jest z czterech -helis
Motywy białkowe zawarte w
acetylotransferazach histonowych
Funkcje bromodomeny w czasie transkrypcji
FAT- factor acetyltransferase
Ronen Marmorsteina, Shelley L. Berger Gene 272 (2001) 1±9
Rola acetylacji histonów
Ułatwia dostęp czynnikom transkrypcyjnym do
nukleosomowego DNA
Dekondensuje 30 nm włókna chromatynowe
Wyznacza miejsca wiązania niehistonowych
białek (np. białek zawierających motyw
bromodomeny)
Deacetylazy histonowe (HDAC) związane
są z represją transkrypcji
•Represory transkrypcji ukierunkowują działanie deacetylaz
histonowych (np. represor drożdżowy Tup1 rekrutuje
deacetylazę Hda1)
•Wchodzą w skład wielopodjednostkowych kompleksów
białkowych (m.in. Sin3, NuRD, CoREST)
•Substratami deacetylaz histonowych są również białka
niehistonowe; niektóre deacetylazy w ogóle nie wykazują
aktywności względem histonów (mimo to są klasyfikowane
jako „histonowe” ze względów historycznych)
Podział deacetylaz histonowych
Klasa
Występowanie
Miejsce działania
I
Eukarionty
i niektóre bakterie
jądro, cytoplazma
homologi drożdżowej deacetylazy Rdp3; hamowane przez
trichostatynę A i maślany
II
Eukarionty
jądro, cytoplazma
homologi drożdżowej deacetylazy Hda1; hamowane przez
trichostatynę A i maślany
III
Eukarionty
jądro, cytoplazma,
mitochondria
tzw. sirtuiny, homologi drożdżowej deacetylazy Sir2; wymagają
obecności NAD+ jako kofaktora; hamowane przez nikotynoamid
IV
Eukarionty
-
białka wykazujące podobieństwo zarówno do Rdp3 jak i Hda1;
hamowane przez trichostatynę A i maślany; funkcja nieznana
jądro
tzw. HD-tuiny, homologi deacetylazy HD2 z kukurydzy; u
Arabidopsis pełnią rolę w regulacji rozwoju (HD2A) i odpowiedzi
na stres (HD2C); hamowane przez trichostatynę A i maślany
V
rośliny
Opis
Aktywator transkrypcji rekrutuje acetylotransferasę
Represor transkrypcji rekrutuje deacetylazę
Kompleks NuRD integruje trzy
mechanizmy regulacji ekspresji
genów
ATP-zależny
remodeling
chromatyny
białko wiążące
metylowany DNA
deacetylacja
histonów