Histon-Acetyltransferase

Histon-Acetyltransferasen ( HATs ) sind Enzyme , die konservierte Lysin -Aminosäuren an Histonproteinen acetylieren , indem sie eine Acetylgruppe von Acetyl-CoA übertragen und so ε- N -Acetyllysin bilden . Die DNA ist um Histone gewickelt, und durch die Übertragung einer Acetylgruppe auf die Histone können Gene an- und abgeschaltet werden. Im Allgemeinen erhöht die Histon-Acetylierung die Genexpression.

Im Allgemeinen ist die Histonacetylierung mit der Transkriptionsaktivierung verknüpft und mit Euchromatin assoziiert . Euchromatin, das weniger dicht gepackt ist, ermöglicht es Transkriptionsfaktoren, leichter an regulatorische Stellen der DNA zu binden und so die Transkription zu aktivieren. Ursprünglich ging man davon aus, dass die Acetylierung von Lysin die normalerweise vorhandene positive Ladung neutralisiert und dadurch die Affinität zwischen Histon und (negativ geladener) DNA verringert, wodurch die DNA für Transkriptionsfaktoren zugänglicher wird . Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass die Lysinacetylierung und andere posttranslationale Modifikationen von Histonen Bindungsstellen für spezifische Protein-Protein-Interaktionsdomänen, wie die Acetyllysin-bindende Bromodomäne , erzeugen . Histonacetyltransferasen können auch Nicht-Histon-Proteine, wie z. B. Kernrezeptoren und andere Transkriptionsfaktoren, acetylieren, um die Genexpression zu fördern.

Histonacetyltransferasen (HATs) werden traditionell anhand ihrer subzellulären Lokalisation in zwei Klassen unterteilt. ^{[ 2 ]} Typ-A-HATs befinden sich im Zellkern und regulieren die Genexpression durch Acetylierung nukleosomaler Histone im Kontext des Chromatins. ^{[ 3 ]} Sie besitzen eine Bromodomäne , die ihnen hilft, acetylierte Lysinreste auf Histonsubstraten zu erkennen und zu binden. Gcn5, p300/CBP und TAF _II 250 sind Beispiele für Typ-A-HATs, die mit Aktivatoren interagieren, um die Transkription zu verstärken. Typ-B-HATs befinden sich im Zytoplasma und acetylieren neu synthetisierte Histone vor deren Einbau in Nukleosomen . Diesen HATs fehlt eine Bromodomäne, da ihre Zielstrukturen nicht acetyliert sind. Die von Typ-B-HATs an die Histone angefügten Acetylgruppen werden durch Histonacetyltransferasen (HDACs) entfernt , sobald die Histonsubstrate in den Zellkern gelangen und in das Chromatin eingebaut werden . Hat1 ist eines der wenigen bekannten Beispiele für eine HAT vom Typ B. ^{[ 4 ]} Trotz dieser historischen Klassifizierung von HATs sind einige HAT-Proteine ​​in mehreren Komplexen oder an verschiedenen Orten aktiv und lassen sich daher nicht ohne Weiteres einer bestimmten Klasse zuordnen. ^{[ 5 ]}

HATs lassen sich anhand von Sequenzhomologie sowie gemeinsamen Strukturmerkmalen und funktionellen Rollen in verschiedene Familien einteilen. Die Gcn5-verwandte N -Acetyltransferase-Familie (GNAT) umfasst Gcn5, PCAF , Hat1, Elp3 , Hpa2, Hpa3, ATF-2 und Nut1. Diese HATs zeichnen sich im Allgemeinen durch das Vorhandensein einer Bromodomäne aus und acetylieren Lysinreste an den Histonen H2B , H3 [ ^{6 ]} und H4 ^{[ 2 ]} . Alle Mitglieder der GNAT-Familie weisen bis zu vier konservierte Motive ⁽ AD) in der katalytischen HAT-Domäne auf. Dazu gehört das am stärksten konservierte Motiv A mit der Sequenz Arg/Gln-XX-Gly-X-Gly/Ala, die für die Erkennung und Bindung von Acetyl-CoA wichtig ist . ^{[ 4 ]} Das C-Motiv findet sich in den meisten GNATs, fehlt jedoch in der Mehrzahl der anderen bekannten HATs. ^{[ 5 ]} Die Hefe-HAT Gcn5 (General Control Nonderepressible-5) ist eines der am besten charakterisierten Mitglieder dieser Familie. Sie besitzt vier funktionelle Domänen: eine N-terminale Domäne, eine hochkonservierte katalytische (HAT-)Domäne, eine Ada2-Interaktionsdomäne und eine C-terminale Bromodomäne. PCAF (p300/CBP-assoziierter Faktor) und GCN5 sind Säugetier-GNATs mit hoher Sequenzhomologie. Diese Proteine ​​besitzen eine 400 Aminosäuren umfassende N-terminale Region, die in Hefe-Gcn5 fehlt; ihre HAT-Funktionen sind jedoch evolutionär konserviert. Hat1 war das erste identifizierte HAT-Protein. Es ist für den größten Teil der cytoplasmatischen HAT-Aktivität in Hefe verantwortlich und bindet aufgrund seiner Assoziation mit einer zusätzlichen Untereinheit, Hat2, stark an Histon H4. Elp3 ist ein Beispiel für eine HAT vom Typ A in Hefe. Es ist Bestandteil des RNA-Polymerase-II-Holoenzyms und spielt eine Rolle bei der Transkriptionselongation .

Die MYST-Familie der Histonacetyltransferasen (HATs) ist nach ihren vier Gründungsmitgliedern MOZ , Ybf2 (Sas3), Sas2 und Tip60 benannt . ^{[ 2 ]} Weitere wichtige Mitglieder sind Esa1 , MOF , MORF und HBO1 . Diese HATs zeichnen sich typischerweise durch Zinkfinger und Chromodomänen aus und acetylieren Lysinreste an den Histonen H2A , H3 und H4. Mehrere Proteine ​​der MYST-Familie besitzen Zinkfinger sowie das hochkonservierte Motiv A, das auch bei GNATs vorkommt und die Bindung von Acetyl-CoA ermöglicht. ^{[ 4 ]} Eine cysteinreiche Region am N-Terminus der HAT-Domäne von MYST-Proteinen ist an der Zinkbindung beteiligt, die für die HAT-Aktivität essenziell ist. ^{[ 7 ]} Tip60 (Tat-interaktives Protein, 60 kDa) war das erste humane Mitglied der MYST-Familie, das HAT-Aktivität aufwies. Das in Hefe vorkommende Sas3 ist ein Homolog von MOZ (monocytic leukemia zinc finger protein), einem Onkogen des Menschen. Esa1 war die erste essentielle HAT, die in Hefe entdeckt wurde, und MOF ist ihr Homolog in Fruchtfliegen. Die HAT-Aktivität von MOF ist für die zweifach erhöhte Transkription des männlichen X-Chromosoms ( Dosierungskompensation ) in Fliegen erforderlich. Das humane HBO1 (eine an ORC1 gebundene HAT) war die erste HAT, die mit Komponenten des Replikationsursprungskomplexes assoziiert ist . MORF (MOZ-verwandter Faktor) weist über seine gesamte Länge eine sehr hohe Homologie zu MOZ auf. ^{[ 5 ]} Es besitzt eine N-terminale Repressionsregion, die seine HAT-Aktivität in vitro verringert , sowie eine C-terminale Aktivierungsdomäne, die auch ohne die HAT-Domäne funktionsfähig ist.

In addition to those that are members of the GNAT and MYST families, there are several other proteins found typically in higher eukaryotes that exhibit HAT activity. These include p300/CBP, nuclear receptor coactivators (e.g., ACTR/SRC-1), TAF_II250, TFIIIC, Rtt109, and CLOCK. p300/CBP are metazoan-specific^[8] and contain several zinc finger regions, a bromodomain, a catalytic (HAT) domain, and regions that interact with other transcription factors.^[4] Importantly, the HAT domain shows no sequence homology to other known HATs,^[9] and it is required for p300/CBP to function in transcriptional activation.^[4] In addition, these proteins contain several HAT domain motifs (A, B, and D) that are similar to those of the GNATs. They also possess a novel motif E that is homologous to sequences in the HAT domains of GNATs. TFIIIC is one of the general transcription factors involved in RNA polymerase III-mediated transcription. Three components in the human protein have been shown to possess independent HAT activity (hTFIIIC220, hTFIIIC110, and hTFIIIC90).^[10] Rtt109 is a fungal-specific HAT that requires association with histone chaperone proteins for activity.^[8] The HAT activities of the human TAF_II250 and CLOCK coactivators have not been studied as extensively. TAF_II250 is one of the TBP-associated factor subunits of TFIID, and it shares a Gly-X-Gly pattern with Gcn5 that is important for HAT activity.^[5] CLOCK is a circadian rhythm master regulator that functions with BMAL1 to carry out its HAT activity.^[11]

Drei wichtige nukleäre Rezeptor-Koaktivatoren mit HAT-Aktivität sind SRC-1 , ACTR und TIF-2 . Der humane Steroidrezeptor-Koaktivator SRC-1 (SRC-1) interagiert bekanntermaßen mit p300/CBP und PCAF, und seine HAT-Domäne befindet sich im C-terminalen Bereich. ACTR (beim Menschen auch als RAC3, AIB1 und TRAM-1 bekannt) weist eine signifikante Sequenzhomologie mit SRC-1 auf, insbesondere im N-terminalen und C-terminalen Bereich (HAT-Domäne) sowie in den Rezeptor- und Koaktivator-Interaktionsdomänen. ^{[ 5 ]} Auch ACTR interagiert mit p300/CBP und PCAF. P300/CBP kann die Bindung von ACTR an seinen Rezeptor und dessen Aktivierung verhindern, indem es diesen in seiner Rezeptor-Interaktionsdomäne acetyliert. TIF-2 (Transkriptionsintermediärfaktor 2; auch als GRIP1 bekannt) ist ein weiterer nukleärer Rezeptor-Koaktivator mit HAT-Aktivität und interagiert ebenfalls mit p300/CBP.

Nachfolgend ist eine Tabelle mit einer Zusammenfassung der verschiedenen HAT-Familien sowie ihrer zugehörigen Mitglieder, Elternorganismen, Multisubunit-Komplexe, Histonsubstrate und Strukturmerkmale dargestellt. ^{[ 2 ] [ 5 ] [ 8 ] [ 10 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Im Allgemeinen zeichnen sich HATs durch eine strukturell konservierte Kernregion aus, die aus einem dreisträngigen β-Faltblatt und einer langen, parallel dazu verlaufenden α-Helix besteht, die sich über eine Seite erstreckt. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Die Kernregion, die den Motiven A, B und D der GNAT-Proteine ​​entspricht, ^{[ 4 ]} wird an gegenüberliegenden Seiten von N- und C-terminalen α/β-Segmenten flankiert, die für jede HAT-Familie strukturell einzigartig sind. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Der zentrale Kern und die flankierenden Segmente bilden zusammen eine Spalte über dem Kern, in der Histonsubstrate vor der Katalyse binden können. ^{[ 8 ]} Während die zentrale Kerndomäne (Motiv A in GNATs) an die Acetyl-CoA-Bindung und die Katalyse beteiligt ist, unterstützen die N- und C-terminalen Segmente die Bindung von Histonsubstraten. ^{[ 7 ]} Einzigartige Merkmale der Sequenz und/oder Struktur der N- und C-terminalen Regionen verschiedener HAT-Familien könnten einige beobachtete Unterschiede in der Histonsubstratspezifität zwischen HATs erklären. Es wurde beobachtet, dass die CoA-Bindung die Histonbindungsfurche im zentralen Kern erweitert, indem sie das C-terminale Segment von Gcn5 nach außen verschiebt. Da Kontakte zwischen CoA und Protein die Bildung günstiger Histon-Protein-Kontakte begünstigen, ist es wahrscheinlich, dass die CoA-Bindung in vivo der Histonbindung vorausgeht .

Die HATs der GNAT-Familie zeichnen sich insbesondere durch eine etwa 160 Aminosäuren umfassende HAT-Domäne und eine C-terminale Bromodomäne aus, die an acetylierte Lysinreste bindet. ^{[ 7 ]} Die HAT-Domänen der MYST-Familie sind etwa 250 Aminosäuren lang. Viele MYST-Proteine ​​enthalten zusätzlich zu einer N-terminalen Chromodomäne, die an methylierte Lysinreste bindet, eine cysteinreiche Zink-bindende Domäne innerhalb der HAT-Region .

Im größeren Maßstab weisen die Strukturen der katalytischen Domänen von GNAT-Proteinen (Gcn5, PCAF) eine gemischte globuläre α/β-Faltung mit insgesamt fünf α-Helices und sechs β-Strängen auf. ^{[ 4 ]} Die Gesamtstruktur ähnelt einem Schraubstock , wobei sich der zentrale Kern des Proteins an der Basis und die N- und C-terminalen Segmente an den Seiten befinden.

Die p300/CBP-HATs besitzen größere HAT-Domänen (ca. 500 Aminosäuren) als die der GNAT- und MYST-Familien. ^{[ 7 ]} Sie enthalten außerdem eine Bromodomäne sowie drei Cystein/Histidin-reiche Domänen, die vermutlich Interaktionen mit anderen Proteinen vermitteln. Die Struktur von p300/CBP ist durch eine längliche globuläre Domäne charakterisiert, die ein siebensträngiges β-Faltblatt im Zentrum aufweist, das von neun α-Helices und mehreren Schleifen umgeben ist. ^{[ 9 ]} Die Struktur der zentralen Kernregion, die mit der Acetyl-CoA-Bindung assoziiert ist, ist im Vergleich zu GNAT- und MYST-HATs konserviert, jedoch bestehen zahlreiche strukturelle Unterschiede in den an diesen zentralen Kern angrenzenden Regionen. Insgesamt deuten die Strukturdaten darauf hin, dass p300/CBP-HATs im Vergleich zu GNAT- und MYST-HATs eine größere Substratspezifität aufweisen.

Die Struktur von Rtt109 ist der von p300 sehr ähnlich, obwohl die beiden Proteine ​​nur 7 % Sequenzidentität aufweisen. ^{[ 9 ]} Sie besitzt ein siebensträngiges β-Faltblatt, das von α-Helices umgeben ist, sowie eine Schleife, die an die Substratbindung von Acetyl-CoA beteiligt ist. Trotz der konservierten Struktur unterscheiden sich Rtt109 und p300/CBP funktionell. So ähnelt beispielsweise die Substratbindungsstelle von Rtt109 eher derjenigen der GNAT- und MYST-HATs. Darüber hinaus sind die Aminosäurereste im aktiven Zentrum jedes Enzyms unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass sie verschiedene katalytische Mechanismen für den Acetylgruppentransfer nutzen.

Der grundlegende Mechanismus der HAT-katalysierten Reaktion beinhaltet die Übertragung einer Acetylgruppe von Acetyl-CoA auf die ε-Aminogruppe einer Lysin-Seitenkette innerhalb eines Histons. ^{[ 8 ]} Verschiedene HAT-Familien nutzen jeweils spezifische Strategien, um diese Transformation zu bewirken.

Mitglieder der GNAT-Familie besitzen einen konservierten Glutamatrest, der als allgemeine Base für den nukleophilen Angriff des Lysin-Amins auf die Acetyl-CoA-Thioesterbindung fungiert. ^{[ 8 ]} Diese HATs nutzen einen geordneten sequenziellen Bi-Bi-Mechanismus, bei dem beide Substrate (Acetyl-CoA und Histon) an das Enzym binden und einen ternären Komplex bilden müssen , bevor die Katalyse erfolgen kann. Zuerst bindet Acetyl-CoA, gefolgt vom Histon-Substrat. Ein konservierter Glutamatrest (Glu173 in Hefe-Gcn5) aktiviert ein Wassermolekül zur Abspaltung eines Protons von der Aminogruppe des Lysins. Dadurch wird das Lysin für den direkten nukleophilen Angriff auf das Carbonylkohlenstoffatom des enzymgebundenen Acetyl-CoA aktiviert. Nach der Reaktion wird zuerst das acetylierte Histon und anschließend CoA freigesetzt. ^{[ 4 ] [ 8 ]}

Untersuchungen des Hefe-Esa1 aus der MYST-Familie der Histon-Agonisten (HATs) haben einen Ping-Pong-Mechanismus aufgezeigt , der konservierte Glutamat- und Cysteinreste involviert. ^{[ 18 ]} Im ersten Reaktionsschritt wird ein kovalentes Zwischenprodukt gebildet, in dem ein Cysteinrest durch einen nukleophilen Angriff auf das Carbonylkohlenstoffatom von Acetyl-CoA acetyliert wird. Anschließend fungiert ein Glutamatrest als allgemeine Base und ermöglicht die Übertragung der Acetylgruppe vom Cystein auf das Histonsubstrat, analog zum Mechanismus der GNATs. Im Piccolo- NuA4- Komplex verliert Esa1 seine Abhängigkeit vom Cysteinrest für die Katalyse. Dies deutet darauf hin, dass die Reaktion über einen ternären Bi-Bi-Mechanismus ablaufen könnte, wenn das Enzym Teil eines physiologisch relevanten Multiproteinkomplexes ist.

Im humanen p300 fungiert Tyr1467 als allgemeine Säure, und Trp1436 hilft, den Ziellysinrest des Histonsubstrats in das aktive Zentrum zu lenken. ^{[ 8 ]} Diese beiden Reste sind innerhalb der p300/CBP-HAT-Familie hochkonserviert, und im Gegensatz zu Enzymen der GNAT- und MYST-Familien verwendet p300 keine allgemeine Base für die Katalyse. Vielmehr ist es wahrscheinlich, dass Mitglieder der p300/CBP-Familie einen Theorell-Chance-Acetyltransfermechanismus (d. h. einen „Hit-and-Run“-Mechanismus) nutzen.

Rtt109 nutzt wahrscheinlich einen anderen Mechanismus als die anderen HATs. ^{[ 9 ]} Das Hefeenzym weist in Abwesenheit der Histon-Chaperone Asf1 und Vps75, die möglicherweise Histon-Substrate für die Acetylierung an das Enzym liefern, eine sehr geringe katalytische Aktivität auf. ^{[ 8 ]} Darüber hinaus wurden für diese HAT noch keine allgemeine Säure oder Base identifiziert.

Die Strukturen verschiedener HAT-Domänen in Komplex mit Acetyl-CoA und Histon-Substratpeptiden zeigen, dass die Substratpeptide über eine Furche im Protein binden. Diese Furche wird von der zentralen Kernregion an der Basis gebildet und beidseitig von den variablen N- und C-terminalen Segmenten flankiert, welche den Großteil der Wechselwirkungen mit dem Substratpeptid vermitteln. ^{[ 8 ]} Es ist wahrscheinlich, dass diese variablen Regionen zumindest teilweise für die beobachtete Spezifität verschiedener HATs für unterschiedliche Histon-Substrate verantwortlich sind.

Mitglieder der GNAT- und MYST-Familien sowie Rtt109 weisen eine höhere Substratspezifität auf als p300/CBP, das hinsichtlich der Substratbindung eher unspezifisch ist. ^{[ 8 ]} Während für die effektive Substratbindung und Katalyse durch Mitglieder der GNAT- und p300/CBP-Familien offenbar nur drei bis fünf Aminosäurereste auf beiden Seiten des zu acetylierenden Lysins notwendig sind, könnten weiter entfernte Bereiche des Substrats für eine effiziente Acetylierung durch HATs der MYST-Familie von Bedeutung sein. ^{[ 19 ]}

Es wurde gezeigt, dass verschiedene HATs, üblicherweise im Kontext von Multisubunit-Komplexen, spezifische Lysinreste in Histonen acetylieren.

Gcn5 kann nukleosomale Histone nicht ohne weitere Proteinfaktoren acetylieren. ^{[ 5 ]} Im Kontext von Komplexen wie SAGA und ADA ist Gcn5 jedoch in der Lage, H3K14 sowie andere Stellen innerhalb der Histone H2B, H3 und H4 (z. B. H3K9, H3K36, H4K8, H4K16) zu acetylieren. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 7 ] [ 19 ]} Sowohl Gcn5 als auch PCAF weisen die stärkste Präferenz für H3K14 auf, sowohl als freies Histon als auch innerhalb eines Nukleosoms. ^{[ 4 ] [ 7 ]} Hat1 acetyliert H4K5 und H4K12, und Hpa2 acetyliert H3K14 in vitro . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Bei Fruchtfliegen korreliert die Acetylierung von H4K16 auf dem männlichen X-Chromosom durch MOF im Kontext des MSL-Komplexes mit einer transkriptionellen Hochregulierung als Mechanismus der Dosiskompensation in diesen Organismen. ^{[ 2 ]} Beim Menschen ist der MSL-Komplex für den Großteil der genomweiten H4K16-Acetylierung verantwortlich. Im Kontext ihrer jeweiligen Komplexe acetylieren auch Sas2 (SAS) und Esa1 (NuA4) H4K16, insbesondere in den Telomerregionen der Chromosomen. Sas2 acetyliert zudem H3K14 in vitro an freien Histonen. ^{[ 12 ]} Esa1 kann ebenfalls H3K14 in vitro an freien Histonen acetylieren sowie H2AK5, H4K5, H4K8 und H4K12 sowohl in vitro als auch in vivo an nukleosomalen Histonen. Es wurde beobachtet, dass H2AK7 und H2BK16 in vivo durch Esa1 acetyliert werden . Bemerkenswerterweise können weder Sas2 noch Esa1 als freie Enzyme in vitro nukleosomale Histone acetylieren . Dies gilt auch für Sas3, das in vivo H3K9 und H3K14 sowie Lysinreste an H2A und H4 acetyliert. MOZ kann ebenfalls H3K14 acetylieren. ^{[ 19 ]}

p300/CBP acetylieren alle vier nukleosomalen Kernhistone gleichermaßen. ^{[ 4 ]} In vitro wurde beobachtet, dass sie H2AK5, H2BK12, H2BK15, H3K14, H3K18, H4K5 und H4K8 acetylieren. ^{[ 5 ]} SRC-1 acetyliert H3K9 und H3K14, TAF _II 230 (Drosophila-Homolog des humanen TAF _II 250) acetyliert H3K14, und Rtt109 acetyliert H3K9, H3K23 ^{[ 19 ]} und H3K56 in Gegenwart von Asf1 oder Vps75. ^{[ 9 ]}

Neben den Kernhistonen acetylieren bestimmte Histonacetyltransferasen (HATs) eine Reihe weiterer zellulärer Proteine, darunter Transkriptionsaktivatoren , basale Transkriptionsfaktoren , Strukturproteine, Polyamine und Proteine, die am Kerntransport beteiligt sind. ^{[ 4 ]} Die Acetylierung dieser Proteine ​​kann deren Fähigkeit zur Interaktion mit ihren jeweiligen DNA- und/oder Proteinsubstraten verändern. Die Erkenntnis, dass Acetylierung die Proteinfunktion auf diese Weise beeinflussen kann, hat zu Untersuchungen über die Rolle von Acetyltransferasen in Signaltransduktionswegen geführt und darüber, ob sich in diesem Zusammenhang eine geeignete Analogie zu Kinasen und Phosphorylierungsereignissen herstellen lässt.

PCAF and p300/CBP are the main HATs that have been observed to acetylate a number of non-histone proteins. For PCAF, these include the non-histone chromatin (high-mobility group (HMG)) proteins HMG-N2/HMG17 and HMG-I(Y), the transcriptional activators p53, MyoD, E2F(1-3), and HIV Tat, and the general transcription factors TFIIE and TFIIF.^[5] Other proteins include CIITA, Brm (chromatin remodeler), NF-κB (p65), TAL1/SCL, Beta2/NeuroD, C/EBPβ, IRF2, IRF7, YY1, KLF13, EVI1, AME, ER81, and the androgen receptor (AR).^[20] PCAF has also been observed to acetylate c-MYC, GATA-2, retinoblastoma (Rb), Ku70, and E1A adenovirus protein.^[21] It can also autoacetylate, which facilitates intramolecular interactions with its bromodomain that may be involved in the regulation of its HAT activity.^[4]

p300/CBP have many non-histone substrates, including the non-histone chromatin proteins HMG1, HMG-N1/HMG14, and HMG-I(Y), the transcriptional activators p53, c-Myb, GATA-1, EKLF, TCF, and HIV Tat, the nuclear receptor coactivators ACTR, SRC-1, and TIF-2, and the general transcription factors TFIIE and TFIIF.^[5] Other substrates include the transcription factors Sp1, KLF5, FOXO1, MEF2C, SRY, GATA-4, and HNF-6,^[12]HMG-B2,^[21]STAT3, the androgen and estrogen (α) receptors, GATA-2, GATA-3, MyoD, E2F(1-3), p73α, retinoblastoma (Rb), NF-κB (p50, p65), Smad7, importin-α, Ku70, YAP1,^[22] E1A adenovirus protein, and S-HDAg (hepatitis delta virus small delta antigen).^[21] p300/CBP have also been observed to acetylate β-catenin, RIP140, PCNA, the DNA metabolic enzymes flap endonuclease-1, thymine DNA glycosylase, and Werner syndrome DNA helicase, STAT6, Runx1 (AML1), UBF, Beta2/NeuroD, CREB, c-Jun, C/EBPβ, NF-E2, SREBP, IRF2, Sp3, YY1, KLF13, EVI1, BCL6, HNF-4, ER81 and FOXO4 (AFX).^[20]

Die Bildung von Multisubunit-Komplexen moduliert die Substratspezifität von HATs. ^{[ 12 ]} Im Allgemeinen können rekombinante HATs freie Histone acetylieren, während HATs nukleosomale Histone nur in ihren jeweiligen in vivo HAT-Komplexen acetylieren können. ^{[ 5 ]} Einige der Proteine, die in diesen Komplexen mit HATs assoziieren, bewirken die gezielte Ansteuerung des HAT-Komplexes an Nukleosomen in spezifischen Genomregionen . [ ^{2 ] [ 12 ] Beispielsweise} wurde beobachtet, dass HAT-Komplexe (z. B. SAGA, NuA3) häufig methylierte Histone als Andockstellen nutzen, um die Histonacetylierung durch die katalytische HAT-Untereinheit effektiver durchzuführen. ^{[ 2 ]}

Darüber hinaus beeinflusst die Bildung von Multisubunit-HAT-Komplexen die Lysinspezifität von HATs. ^{[ 12 ]} Die spezifischen Lysinreste, die ein bestimmtes HAT acetyliert, können sich durch die Assoziation mit seinem jeweiligen Komplex entweder erweitern oder einschränken. Beispielsweise wird die Lysinspezifität von HATs der MYST-Familie gegenüber ihren Histonsubstraten eingeschränkter, wenn sie mit ihren Komplexen assoziieren. Im Gegensatz dazu erlangt Gcn5 die Fähigkeit, mehrere Stellen in den Histonen H2B und H3 zu acetylieren, wenn es sich mit anderen Untereinheiten zu den SAGA- und ADA-Komplexen verbindet. ^{[ 4 ]} Des Weiteren wird die Acetylierungsstellenspezifität von Rtt109 durch seine Assoziation mit Vps75 oder Asf1 bestimmt. ^{[ 19 ]} Im Komplex mit Vps75 acetyliert Rtt109 H3K9 und H3K27, im Komplex mit Asf1 hingegen bevorzugt H3K56. ^{[ 8 ]}

Die katalytische Aktivität von HATs wird durch zwei Mechanismen reguliert: (1) Interaktion mit regulatorischen Proteinuntereinheiten und (2) Autoacetylierung. ^{[ 8 ]} Eine bestimmte HAT kann auf verschiedene Weise reguliert werden, und derselbe Effektor kann unter verschiedenen Bedingungen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. ^{[ 4 ]} Obwohl die Assoziation von HATs mit Multiproteinkomplexen einen Mechanismus zur Regulation sowohl der HAT-Aktivität als auch der Substratspezifität in vivo darstellt , ist die molekulare Grundlage dieses Vorgangs weitgehend unbekannt. ^{[ 8 ]} Daten deuten jedoch darauf hin, dass assoziierte Untereinheiten zumindest teilweise zur Katalyse beitragen, indem sie die produktive Bindung des HAT-Komplexes an seine nativen Histonsubstrate erleichtern.

Die MYST-Familie der HATs, p300/CBP und Rtt109 werden nachweislich durch Autoacetylierung reguliert. ^{[ 8 ]} Humanes MOF sowie die Hefe-Proteine ​​Esa1 und Sas2 werden an einem konservierten Lysinrest im aktiven Zentrum autoacetyliert, und diese Modifikation ist für ihre Funktion in vivo erforderlich . Humanes p300 besitzt eine stark basische Schleife in der Mitte seiner HAT-Domäne, die in der aktiven Form des Enzyms hyperacetyliert ist. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Es wird angenommen, dass sich diese Schleife bei der Autoacetylierung von der elektronegativen Substratbindungsstelle löst, an der sie sich in der inaktiven HAT befindet. ^{[ 23 ]} Die Acetylierung von Hefe-Rtt109 an Lys290 ist ebenfalls erforderlich, damit es seine volle katalytische Aktivität entfalten kann. ^{[ 24 ]} Einige HATs werden auch durch Acetylierung gehemmt. Beispielsweise wird die HAT-Aktivität des nukleären Rezeptor-Koaktivators ACTR durch Acetylierung mittels p300/CBP gehemmt. ^{[ 4 ]}

Histon-Acetyltransferasen (HATs) und Histon-Deacetylasen (HDACs) werden durch physikalische Wechselwirkungen mit sequenzspezifischen Transkriptionsfaktoren an ihre Zielpromotoren rekrutiert. Sie fungieren üblicherweise in einem Multisubunit-Komplex, dessen Untereinheiten für die Modifizierung von Histonresten in der Nähe der Bindungsstelle notwendig sind. Diese Enzyme können auch Nicht-Histon-Proteine ​​modifizieren.

Histon-Acetyltransferasen erfüllen zahlreiche biologische Funktionen innerhalb der Zelle. Chromatin ist eine Kombination aus Proteinen und DNA im Zellkern und unterliegt im Zuge verschiedener zellulärer Prozesse wie DNA-Replikation , DNA-Reparatur und Transkription zahlreichen Strukturveränderungen . ^{[ 25 ]} Chromatin kann in der Zelle in zwei Zuständen vorliegen: kondensiert und unkondensiert. Letzteres, Euchromatin genannt , ist transkriptionell aktiv, während ersteres, Heterochromatin genannt , transkriptionell inaktiv ist. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Histone bilden den Proteinanteil des Chromatins. Es gibt fünf verschiedene Histonproteine : H1, H2A, H2B, H3 und H4. Ein Kernhiston entsteht, wenn jeweils zwei Histonmoleküle jedes Subtyps (außer H1) einen quaternären Komplex bilden. Dieser oktamere Komplex bildet zusammen mit den 147 Basenpaaren der DNA, die ihn umwickeln, das Nukleosom . ^{[ 4 ]} Histon H1 verriegelt den Nukleosomenkomplex und ist das letzte Protein, das sich an den Komplex bindet.

Histones tend to be positively charged proteins with N-terminal tails that stem from the core. The phosphodiester backbone of DNA is negative, which allows for strong ionic interactions between histone proteins and DNA. Histone acetyltransferases transfer an acetyl group to specific lysine residues on histones, which neutralizes their positive charge and thus reduces the strong interactions between the histone and DNA.^[25] Acetylation is also thought to perturb interactions between individual nucleosomes and act as interaction sites for other DNA-associated proteins.^[4]

There can be different levels of histone acetylation as well as other types of modifications, allowing the cell to have control over the level of chromatin packing during different cellular events such as replication, transcription, recombination, and repair. Acetylation is not the only regulatory post-translational modification to histones that dictates chromatin structure; methylation, phosphorylation, ADP-ribosylation, and ubiquitination have also been reported.^[4][25] These combinations of different covalent modifications on the N-terminal tails of histones have been referred to as the histone code, and it is thought that this code may be heritable and preserved in the next cell generation.^[26]

H3 and H4 histone proteins are the primary targets of HATs, but H2A and H2B are also acetylated in vivo. Lysines 9, 14, 18, and 23 of H3 and lysines 5, 8, 12, and 16 of H4 are all targeted for acetylation.^[4][25] Lysines 5, 12, 15, and 20 are acetylated on histone H2B, while only lysines 5 and 9 have been observed to be acetylated on histone H2A.^[4][25][26] With so many different sites for acetylation, a high level of specificity can be achieved in triggering specific responses. An example of this specificity is when histone H4 is acetylated at lysines 5 and 12. This acetylation pattern has been seen during histone synthesis. Another example is acetylation of H4K16, which has been associated with dosage compensation of the male X chromosome in Drosophila melanogaster.^[2][4]

Histonmodifikationen modulieren die Chromatinpackung. Der Packungsgrad der DNA ist für die Gentranskription wichtig, da die Transkriptionsmaschinerie Zugang zum Promotor haben muss, damit die Transkription stattfinden kann. ^{[ 4 ]} Die Neutralisierung geladener Lysinreste durch Histonacetyltransferasen (HATs) ermöglicht die Dekondensation des Chromatins, sodass die Maschinerie Zugang zum zu transkribierenden Gen erhält. Acetylierung ist jedoch nicht immer mit erhöhter Transkriptionsaktivität verbunden. Beispielsweise wurde die Acetylierung von H4K12 mit kondensiertem und transkriptionell inaktivem Chromatin in Verbindung gebracht. ^{[ 27 ]} Darüber hinaus sind einige Histonmodifikationen kontextabhängig sowohl mit erhöhter als auch mit gehemmter Aktivität assoziiert. ^{[ 28 ]}

HATs fungieren als transkriptionelle Koaktivatoren oder Gen-Silencer und kommen meist in großen Komplexen aus 10 bis 20 Untereinheiten vor, von denen einige in verschiedenen HAT-Komplexen vorkommen. ^{[ 25 ]} Zu diesen Komplexen gehören SAGA (Spt/Ada/Gcn5L-Acetyltransferase), PCAF, ADA (Transkriptionsadapter), TFIID (Transkriptionsfaktor II D), TFTC (TBP-freier TAF-haltiger Komplex) und NuA3/NuA4 (nukleosomale Acetyltransferasen von H3 und H4). ^{[ 2 ] [ 25 ]} Diese Komplexe modulieren die HAT-Spezifität, indem sie HATs zu ihren Zielgenen bringen, wo diese dann nukleosomale Histone acetylieren können. ^{[ 25 ]} Einige HAT-Transkriptionskoaktivatoren enthalten eine Bromodomäne , ein 110 Aminosäuren umfassendes Modul, das acetylierte Lysinreste erkennt und funktionell mit den Koaktivatoren bei der Regulation der Transkription verknüpft ist. ^{[ 29 ]}

Die Fähigkeit von Histonacetyltransferasen (HATs), die Chromatin-Struktur zu verändern und ein epigenetisches Gerüst zu schaffen, macht sie für die Zellerhaltung und das Überleben essenziell. Der Prozess des Chromatin-Remodellings involviert mehrere Enzyme, darunter HATs, die bei der Neubildung von Nukleosomen helfen und für die Funktion von DNA-Reparatursystemen notwendig sind. ^{[ 30 ]} HATs spielen eine Rolle bei der Krankheitsentwicklung, insbesondere bei neurodegenerativen Erkrankungen. Die Huntington-Krankheit beispielsweise beeinträchtigt motorische und kognitive Fähigkeiten. Die einzige bekannte Mutation, die mit dieser Krankheit in Verbindung gebracht wird, befindet sich im N-terminalen Bereich des Proteins Huntingtin (htt) . ^{[ 31 ]} Es wurde berichtet, dass htt direkt mit HATs interagiert und die katalytische Aktivität von p300/CBP und PCAF in vitro hemmt .

The human premature aging syndrome Hutchinson Gilford progeria is caused by a mutational defect in the processing of lamin A, a nuclear matrix protein. In a mouse model of this condition, recruitment of repair proteins to sites of DNA damage is delayed. The molecular mechanism underlying this delayed repair response involves a histone acetylation defect.^[32] Specifically, histone H4 is hypoacetylated at a lysine 16 residue (H4K16) and this defect is due to reduced association of histone acetyltransferase, Mof, to the nuclear matrix^[32]

Spinocerebellar ataxia type 1 is a neurodegenerative disease that arises as a result of a defective mutant Ataxin-1 protein. Mutant Ataxin-1 reduces histone acetylation resulting in repressed histone acetyltransferase-mediated transcription.^[33]

HATs have also been associated with control of learning and memory functions. Studies have shown that mice without PCAF or CBP display evidence of neurodegeneration.^[31] Mice with PCAF deletion are incompetent with respect to learning, and those with CBP deletion seem to suffer from long-term memory loss.^[34]

Eine Fehlregulation des Gleichgewichts zwischen Acetylierung und Deacetylierung wird mit der Entstehung bestimmter Krebsarten in Verbindung gebracht. Werden Histon-Acetyltransferasen gehemmt, kann geschädigte DNA nicht repariert werden, was letztendlich zum Zelltod führt. Die Kontrolle des Chromatin-Remodellierungsprozesses in Krebszellen könnte einen neuen Ansatzpunkt für die Krebsforschung bieten. ^{[ 35 ]} Die Hemmung dieser Enzyme in Krebszellen könnte aufgrund der hohen Anhäufung von DNA-Schäden zu vermehrtem programmierten Zelltod (Apoptose) führen . Ein solcher Inhibitor von Histon-Acetyltransferasen ist Garcinol. Diese Verbindung kommt in der Schale der Mangostanfrucht (Garcinia indica) vor . Um die Wirkung von Garcinol auf Histon-Acetyltransferasen zu untersuchen, verwendeten Forscher HeLa- Zellen. Die Zellen wurden bestrahlt, wodurch Doppelstrangbrüche in der DNA entstanden. Anschließend wurde Garcinol in die Zellen eingebracht, um zu prüfen, ob es die DNA-Schadensantwort beeinflusst. Wenn Garcinol die nicht-homologe Endverknüpfung , einen DNA-Reparaturmechanismus, der bevorzugt Doppelstrangbrüche repariert, erfolgreich hemmt ^{[ 36 ]} , könnte es als Radiosensibilisator dienen , ein Molekül, das die Empfindlichkeit von Zellen gegenüber Strahlenschäden erhöht. Eine erhöhte Radiosensibilität könnte die Wirksamkeit der Strahlentherapie steigern ^{[ 35 ] .}

• Histon-modifizierende Enzyme
• Histon-Deacetylase (HDAC)
• Histonmethyltransferase (HMT)
• Kontrolle der RNA-Polymerase durch die Chromatin-Struktur
• Acetyltransferase

• Histon-Acetyltransferasen in den Medical Subject Headings (MeSH) der US National Library of Medicine