Kowalencyjne modyfikacje histonów rdzeniowych

Transkrypt

1 Kowalencyjne modyfikacje histonów rdzeniowych

2 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.

3 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

4 Modyfikacja Acetylacja Metylacja Fosforylacja Modyfikowane reszty aminokwasowe K-ac K-me1, K-me2, K-me3 R-me1, R-me2s, R-me2a S-ph, T-ph, Y-ph Funkcja biologiczna Aktywacja transkrypcji, replikacja DNA, naprawa DNA, składanie chromatyny Aktywacja, elongacja i represja transkrypcji Aktywacja i represja transkrypcji, naprawa DNA, mitoza, apoptoza 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

5 S/T K K kinazy fosfatazy Metylotransferazy lizynowe (KMT) Demetylazy lizynowe (KDM) Acetylotransferazy histonowe (HAT) Deacetylazy histonowe (HDAC) P S/T Me K Ac K fosforylacja Większość dobrze poznanych modyfikacji jest odwracalna. metylacja Reakcje dodawania i usuwania modyfikacji są katalizowane przez przeciwstawnie działające grupy enzymów. Dla wielu modyfikacji nie są znane wprowadzające lub usuwające je enzymy. acetylacja

6 Mechanizmy działania modyfikacji histonów Zmiana struktury chromatyny Hamowanie oddziaływania czynników białkowych Nowe miejsca wiązania dla czynników białkowych

7 Modyfikacje histonów nie są rozłożone równomiernie wzdłuż chromosomów i obszarów genowych

8 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

9 Fosforylacja

10 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

11 Fosforylacja seryny 10 histonu H3 towarzyszy kondensacji chromosomów w komórkach zwierzęcych podczas podziałów komórkowych

12 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 Feb;22(3): 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)

13 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

14 Lokalizacja fosforylowanego w treoninie 3 histonu H3

15 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

16 aktywacja transkrypcji

17 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

18 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, odpowiedź nukleosomowa

19 Odpowiedź nukleosomowa w komórkach zwierzęcych TRENDS in Genetics Vol.20 No.4 April 2004

20 Odpowiedź nukleosomowa komórek roślinnych na stres

21 Phosphorylation of histone H3 correlates with transcriptionally active loci Scott J. Nowak and Victor G. Corces GENES & DEVELOPMENT 14: 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

22 Molecular Basis for the Recognition of Phosphorylated and Phosphoacetylated Histone H3 by 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, , October 28, 2005,

23 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, ATM naprawa DNA Dm, Xl, DNA-PK związana z fazą M H2B S10ph Sc Ste2 apoptoza S14ph Hs, Mm Mst1 krs2 kinase apoptoza

24 H3 T3ph Hs, Ath Haspin funkcja mitotyczna obszarów centromerowch S10ph Sc, Snf1 aktywacja transkrypcji Dm, Jil-1 transkrypcyjna stymulacja chromosomu X u samców Hs Rsk2, Msk1, aktywacja transkrypcji IEG Msk2 IKKalfa stymulacja transkrypcji Sc, Ipl1 mitotyczna kondensacja chromosomów Ce, AuroraB mitotyczna kondensacja chromosomów An NIMA mitotyczna kondensacja chromosomów S28ph Hs Aurora-B mitotyczna kondensacja chromosomów Hs Msk1 fosforylacja zaindukowana promieniowaniem UV H3.3 S31ph Hs????? mitotyczna kondensacja chromosomów H4 S1ph Hs, Sc Caseine kinase II naprawa DNA

25 Acetylacja

26 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

27 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, , March 22, 1996 Izolacja genu kodującego białko p55 u Tetrahymena

28

29 Wysoki stopień homologicznośći p55 i Gcn5 wsakzuję, że oba te białka mogą mieć aktywność acetylotransferazową

30 Gcn5 posiada aktywnośc acetylotransferazy histonowej (HAT)

31

32

33 Acetylacja histonów jest związana z wyższą aktywnością transkrypcyjną

34 Acetylacja lizyn znosi dodatni ładunek elektryczny na grupie aminowej i osłabia oddziaływanie histonów z DNA

35 Acetylacja histonów rdzeniowych rozluźnia strukturę chromatyny acetylacja deacetylacja jest wrażliwa na trawienia DNasą I i MNasą Jest dostępna dla czynników transkrypcyjnych i polimeraz

36 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

37 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)

38 Acetylotransferazy histonowe występują w dużych kompleksach białkowych SAGA Complex Tra1p TAF90p TAF25/23p Ada3p Ada1p Spt7p TAF68/61p Ada2p Spt20/ Ada5 p Gcn5p HAT TAF60p TAF20/17p Spt3p Spt8p Ac Act. Ac Ac Ac Ac Ac TBP Ac Ac Drożdżowy kompleks SAGA oddziałujący z chromatyną

39 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

40 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

41 Rola fosforylacji S10/H3 w regulacji ekspresji genów przez drożdżowy kompleks białkowy zawierający acetylotransferazę histonową Gcn5 Molecular Cell, Vol. 5, , June, 2000 Phosphorylation of Serine 10 in Histone H3 Is Functionally Linked In Vitro and In Vivo to Gcn5- Mediated 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,

42 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, , January 25, 2008

43 Niektóre acetylotransferazy histonowe zawierają charakterystyczny motyw białkowy - BROMODOMENĘ Struktura bromodomeny jest silnie konserwowana ewolucyjnie, ma około 110 aminokwasów, zbudowana jest z czterech -helis

44 Motywy białkowe zawarte w acetylotransferazach histonowych

45 Funkcje bromodomeny w czasie transkrypcji FAT- factor acetyltransferase Ronen Marmorsteina, Shelley L. Berger Gene 272 (2001) 1±9

46 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)

47 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)

48 Podział deacetylaz histonowych Klasa Występowanie Miejsce działania Opis 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 - V rośliny jądro białka wykazujące podobieństwo zarówno do Rdp3 jak i Hda1; hamowane przez trichostatynę A i maślany; funkcja nieznana 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

49 Aktywator transkrypcji rekrutuje acetylotransferasę Represor transkrypcji rekrutuje deacetylazę

50 Kompleks NuRD integruje trzy mechanizmy regulacji ekspresji genów ATP-zależny remodeling chromatyny deacetylacja histonów białko wiążące metylowany DNA

51