Histona acetiltransferasa

Histonas acetiltransferasas (HAT) son enzimas que acetilan los aminoácidos de lisina conservados en las proteínas histonas transfiriendo un grupo acetilo del acetil-CoA para formar ε-N. -acetilisina. El ADN está envuelto alrededor de las histonas y, al transferir un grupo acetilo a las histonas, los genes se pueden activar y desactivar. En general, la acetilación de histonas aumenta la expresión genética.

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

Familias HAT

Los HAT se dividen tradicionalmente en dos clases diferentes según su localización subcelular. Los HAT de tipo A están ubicados en el núcleo y participan en la regulación de la expresión génica mediante la acetilación de histonas nucleosomales en el contexto de la cromatina. Contienen un bromodominio, que les ayuda a reconocer y unirse a residuos de lisina acetilada en sustratos de histonas. Gcn5, p300/CBP y TAFII250 son algunos ejemplos de HAT tipo A que cooperan con activadores para mejorar la transcripción. Los HAT de tipo B se encuentran en el citoplasma y son responsables de acetilar las histonas recién sintetizadas antes de su ensamblaje en nucleosomas. Estos HAT carecen de un bromodominio, ya que sus objetivos no están acetilados. Los grupos acetilo agregados por los HAT 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 HAT tipo B. A pesar de esta clasificación histórica de HAT, algunas proteínas HAT funcionan en múltiples complejos o ubicaciones y, por lo tanto, no encajarían fácilmente en una clase particular.

N-acetiltransferasas (GNAT) relacionadas con Gcn5

Los HAT se pueden agrupar en varias familias diferentes según la homología de secuencia, así como las características estructurales y funciones funcionales compartidas. La familia de N-acetiltransferasa (GNAT) relacionada con Gcn5 incluye Gcn5, PCAF, Hat1, Elp3, Hpa2, Hpa3, ATF-2 y Nut1. Estos HAT generalmente se caracterizan por la presencia de un bromodominio y acetilan residuos de lisina en las histonas H2B, H3 y H4. Todos los miembros de la familia GNAT se caracterizan por hasta cuatro motivos conservados (A-D) que se encuentran dentro del dominio catalítico HAT. Esto incluye el motivo A más conservado, que contiene una secuencia Arg/Gln-X-X-Gly-X-Gly/Ala que es importante para el reconocimiento y la unión de acetil-CoA. El motivo C se encuentra en la mayoría de los GNAT, pero no está presente en la mayoría de los otros HAT conocidos. La levadura Gcn5 (control general no represible-5) HAT 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 en todas sus secuencias. Estas proteínas tienen una región N-terminal de 400 residuos que está ausente en la levadura Gcn5, pero sus funciones HAT se conservan evolutivamente con respecto a esta última. Hat1 fue la primera proteína HAT identificada. Es responsable de la mayor parte de la actividad HAT citoplasmática en la levadura y se une fuertemente a la histona H4 en virtud de su asociación con una subunidad adicional, Hat2. Elp3 es un ejemplo de un HAT tipo A que se encuentra en la levadura. Es parte de la holoenzima ARN polimerasa II y desempeña un papel en el alargamiento transcripcional.

SOMBREROS MYST

La familia MYST de HAT lleva el nombre de sus cuatro miembros fundadores MOZ, Ybf2 (Sas3), Sas2 y Tip60. Otros miembros importantes incluyen Esa1, MOF, MORF y HBO1. Estos HAT se caracterizan típicamente por la presencia de dedos de zinc y cromodominios, y 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 los GNAT y que facilita la unión de acetil-CoA. Una región rica en cisteína ubicada en el extremo N del dominio HAT de las proteínas MYST participa en la unión del zinc, que es esencial para la actividad HAT. Tip60 (proteína interactiva Tat, 60 kDa) fue el primer miembro humano de la familia MYST en exhibir actividad HAT. Sas3 que se encuentra en la levadura es un homólogo de MOZ (proteína de dedos de zinc de leucemia monocítica), que es un oncogén que se encuentra en humanos. Esa1 fue el primer HAT esencial encontrado en levaduras y MOF es su homólogo en moscas de la fruta. La actividad HAT de este último es necesaria para duplicar la transcripción del cromosoma X masculino (compensación de dosis) en moscas. El HBO1 humano (HAT unido a ORC1) fue el primer HAT que demostró asociarse con componentes del complejo de origen de replicación. MORF (factor relacionado con MOZ) muestra una homología muy estrecha con MOZ en toda su longitud. 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 y que exhiben actividad HAT. Estos incluyen p300/CBP, coactivadores de receptores nucleares (p. ej., ACTR/SRC-1), TAF_II250, TFIIIC, Rtt109 y CLOCK. p300/CBP son específicos de metazoos y contienen varias regiones de dedos de zinc, un bromodominio, un dominio catalítico (HAT) y regiones que interactúan con otros factores de transcripción. Es importante destacar que el dominio HAT no muestra homología de secuencia con otros HAT conocidos y es necesario para que p300/CBP funcione en la activación transcripcional. Además, estas proteínas contienen varios motivos de dominio HAT (A, B y D) que son similares a los de los GNAT. También poseen un nuevo motivo E que es homólogo a secuencias en los dominios HAT de GNAT. TFIIIC es uno de los factores de transcripción generales implicados 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). Rtt109 es un HAT específico de hongos que requiere asociación con proteínas chaperonas de histonas para su actividad. Las actividades HAT de los coactivadores humanos TAF_II250 y CLOCK no se han estudiado tan exhaustivamente. TAF_II250 es una de las subunidades de factor de TFIID asociadas a TBP y comparte un patrón Gly-X-Gly con Gcn5 que es importante para la actividad HAT. CLOCK es un regulador maestro del ritmo circadiano que funciona con BMAL1 para llevar a cabo su actividad HAT.

Coactivadores de receptores nucleares

Tres coactivadores importantes del receptor nuclear que muestran actividad HAT son SRC-1, ACTR y TIF-2. Se sabe que el SRC-1 humano (coactivador-1 del receptor de esteroides) interactúa con p300/CBP y PCAF, y su dominio HAT está ubicado 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 receptor y coactivador.. ACTR también interactúa con p300/CBP y PCAF. El primero puede evitar que ACTR se una a su receptor y lo active acetilándolo en su dominio de interacción con el receptor. TIF-2 (factor intermediario transcripcional 2; también conocido como GRIP1) es otro coactivador del receptor nuclear 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 de múltiples subunidades, sustratos de histonas y características estructurales.

Estructura general

En general, los HAT se caracterizan por una región central estructuralmente conservada formada por una lámina β de tres hebras seguida de una larga hélice α paralela y que se extiende por un lado de la misma. La región central, que corresponde a los motivos A, B y D de las proteínas GNAT, está flanqueada en lados opuestos por segmentos α/β N y C terminales que son estructuralmente únicos para una familia HAT determinada. 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. Mientras que el dominio central central (motivo A en GNAT) participa en la unión y catálisis de acetil-CoA, los segmentos N y C-terminales ayudan en la unión de sustratos de histonas. 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 los HAT en la especificidad del sustrato de histonas. Se ha observado que la unión de CoA ensancha el surco de unión de 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 favorables entre histona y proteína, es probable que la unión de CoA preceda a la unión de histonas in vivo.

Familias GNAT y MYST

Los HAT de la familia GNAT se caracterizan más notablemente por un dominio HAT de aproximadamente 160 residuos y un bromodominio C-terminal, que se une a residuos de lisina acetilada. Los de la familia MYST tienen dominios HAT que tienen 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.

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

Familia P300/CBP

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

Rtt109

La estructura de Rtt109 es muy similar a la de p300, a pesar de que solo existe un 7% de identidad de secuencia entre las dos proteínas. Hay una lámina β de siete cadenas rodeada por hélices α, así como un bucle que participa 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 al sustrato del primero es más similar al de GNAT y MYST HAT. 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 los HAT implica la transferencia de un grupo acetilo del acetil-CoA al grupo ε-amino de una cadena lateral de lisina objetivo dentro de una histona. Diferentes familias de HAT emplean estrategias únicas para efectuar dicha transformación.

Familia GNAT

Los miembros de la familia GNAT tienen un residuo de glutamato conservado que actúa como base general para catalizar el ataque nucleofílico de la lisina amina en el enlace tioéster acetil-CoA. Estos 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. La acetil-CoA se une primero, seguida 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, lo que la activa para el ataque nucleofílico directo al carbono carbonilo de la acetil-CoA unida a enzima. Después de la reacción, primero se libera la histona acetilada seguida de CoA.

Familia MYST

Los estudios de la levadura Esa1 de la familia MYST de HAT han revelado un mecanismo de ping-pong que involucra residuos conservados de glutamato y cisteína. La primera parte de la reacción implica la formación de un intermedio covalente en el que un residuo de cisteína se acetila tras el ataque nucleofílico de este residuo sobre el carbono carbonilo del acetil-CoA. Luego, un residuo de glutamato actúa como base general para facilitar la transferencia del grupo acetilo de la cisteína al sustrato de histona de una manera análoga al mecanismo utilizado por los 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 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. 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. Más bien, es probable que los miembros de la familia p300/CBP utilicen un mecanismo de transferencia de acetilo Theorell-Chance (es decir, “atropello y fuga”).

Rtt109

Es probable que Rtt109 emplee un mecanismo diferente al de los otros HAT. La enzima de levadura tiene una actividad catalítica muy baja en ausencia de las proteínas chaperonas de histonas Asf1 y Vps75, que pueden participar en la entrega de sustratos de histonas a la enzima para su acetilación. Además, aún no se ha identificado un ácido o una base general para este HAT.

Unión de sustrato y especificidad

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 central en la base y está flanqueado en lados opuestos por la variable N - y segmentos C-terminales que median la mayoría de las interacciones con el péptido sustrato. Es probable que estas regiones variables sean, al menos en parte, responsables de la especificidad observada de diferentes HAT para diversos 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 de sustrato. Mientras que parece que sólo de tres a cinco residuos en cada lado de la lisina que se va a acetilar son necesarios para la unión y catálisis efectiva del sustrato por parte de miembros de las familias GNAT y p300/CBP, regiones más distales del sustrato pueden ser importantes para una acetilación eficiente por parte de miembros de las familias GNAT y p300/CBP. SOMBREROS de la familia MYST.

Selectividad de lisina

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

Familia GNAT

Gcn5 no puede acetilar histonas nucleosomales en ausencia de otros factores proteicos. Sin embargo, en el contexto de complejos como SAGA y ADA, Gcn5 es capaz de acetilar H3K14 entre otros sitios dentro de las histonas H2B, H3 y H4 (p. ej., H3K9, H3K36, H4K8, H4K16). Tanto Gcn5 como PCAF tienen la mayor preferencia de sitio por H3K14, ya sea como histona libre o dentro de un nucleosoma. Hat1 acetila H4K5 y H4K12, y Hpa2 acetila H3K14 in vitro.

Familia MYST

En 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 mecanismo para la compensación de dosis en estos organismos. En 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 afines, Sas2 (SAS) y Esa1 (NuA4) también llevan a cabo la acetilación de H4K16, en particular en las regiones de los telómeros de los cromosomas. También se ha observado que Sas2 acetila H3K14 in vitro en histonas libres. 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 nucleosomas. histonas. También se observa que H2AK7 y H2BK16 son acetilados por Esa1 in vivo. En particular, ni Sas2 ni Esa1 pueden acetilar histonas nucleosomales in vitro como enzima libre. Este también es el caso de Sas3, que se observa que acetila H3K9 y H3K14 in vivo, así como residuos de lisina en H2A y H4. MOZ también puede acetilar H3K14.

Otros

p300/CBP acetila las cuatro histonas del núcleo nucleosomal igualmente bien. In vitro, se ha observado que acetilan H2AK5, H2BK12, H2BK15, H3K14, H3K18, H4K5 y H4K8. SRC-1 acetila H3K9 y H3K14, TAF_II230 (homólogo de Drosophila de TAF_II250 humano) acetila H3K14 y Rtt109 acetila H3K9, H3K23 y H3K56 en presencia de ya sea Asf1 o Vps75.

Sustratos no histónicos (in vitro)

Además de las histonas centrales, ciertas HAT acetilan otras proteínas celulares, incluidos activadores transcripcionales, factores de transcripción basales, proteínas estructurales, poliaminas y proteínas involucradas en la importación nuclear. 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 de las proteínas de esta manera ha llevado a investigar 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.

PCAF

PCAF y p300/CBP son los principales HAT que se ha observado que acetilan varias proteínas no histonas. Para PCAF, estos incluyen las proteínas de cromatina sin histonas (grupo de alta movilidad (HMG)) HMG-N2/HMG17 y HMG-I(Y), los activadores transcripcionales p53, MyoD, E2F(1-3) y VIH Tat. y los factores de transcripción generales TFIIE y TFIIF. 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). También se ha observado que PCAF acetila la proteína de adenovirus c-MYC, GATA-2, retinoblastoma (Rb), Ku70 y E1A. También puede autoacetilarse, lo que facilita las interacciones intramoleculares con su bromodominio que pueden estar involucrados en la regulación de su actividad HAT.

P300/CBP

p300/CBP tiene muchos sustratos distintos de histonas, incluidas las proteínas de cromatina no histonas HMG1, HMG-N1/HMG14 y HMG-I(Y), los activadores transcripcionales p53, c-Myb, GATA-1, EKLF, TCF y VIH Tat, los coactivadores del receptor nuclear ACTR, SRC-1 y TIF-2, y los factores de transcripción generales TFIIE y TFIIF. Otros sustratos incluyen los factores de transcripción Sp1, KLF5, FOXO1, MEF2C, SRY, GATA-4 y HNF-6, HMG-B2, STAT3, los receptores de andrógenos y estrógenos (α), GATA-2, GATA-3, MyoD, E2F(1-3), p73α, retinoblastoma (Rb), NF-κB (p50, p65), Smad7, importin-α, Ku70, YAP1, proteína de adenovirus E1A y S-HDAg (antígeno delta pequeño del virus de la hepatitis delta). También se ha observado que p300/CBP acetila β-catenina, RIP140, PCNA, las enzimas metabólicas del ADN flap endonucleasa-1, timina ADN glicosilasa y 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).

Complejos HAT multisubunitarios

Se ha observado que la formación de complejos de múltiples subunidades modula la especificidad de sustrato de los HAT. En general, mientras que los HAT recombinantes son capaces de acetilar histonas libres, los HAT pueden acetilar histonas nucleosomales solo cuando están en sus respectivos complejos HAT in vivo. Algunas de las proteínas que se asocian con los HAT en estos complejos funcionan dirigiendo el complejo HAT a los nucleosomas en regiones específicas del genoma. Por ejemplo, se ha observado que los complejos HAT (p. ej., SAGA, NuA3) suelen utilizar histonas metiladas como sitios de acoplamiento para que la subunidad catalítica HAT pueda llevar a cabo la acetilación de histonas de forma más eficaz.

Además, la formación de complejos HAT de múltiples subunidades influye en la especificidad de lisina de los HAT. Los residuos de lisina específicos que acetila un HAT determinado pueden tener un alcance más amplio o más restringido 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. Por el contrario, Gcn5 adquiere la capacidad de acetilar múltiples sitios en las histonas H2B y H3 cuando se une a otras subunidades para formar los complejos SAGA y ADA. Además, la especificidad del sitio de acetilación de Rtt109 está dictada por su asociación con Vps75 o Asf1. Cuando está en complejo con el primero, Rtt109 acetila H3K9 y H3K27, pero, cuando está en complejo con este último, acetila preferentemente H3K56.

Regulación de la actividad HAT

La actividad catalítica de los HAT está regulada por dos tipos de mecanismos: (1) interacción con subunidades proteicas reguladoras y (2) autoacetilación. Un HAT determinado puede regularse de múltiples maneras y el mismo efector puede en realidad conducir a resultados diferentes en diferentes condiciones. Aunque está claro que la asociación de HAT con complejos multiproteicos proporciona un mecanismo para la regulación tanto de la actividad de HAT como de la especificidad de sustrato in vivo, la base molecular de cómo esto ocurre realmente aún se desconoce en gran medida. 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 nativas.

Se ha demostrado que la familia MYST de HAT, p300/CBP y Rtt109 están reguladas por autoacetilación. El MOF humano, así como el Esa1 y Sas2 de levadura, están autoacetilados en un residuo de lisina del sitio activo conservado, y esta modificación es necesaria para su función in vivo. La p300 humana contiene un bucle muy básico incrustado en el medio de su dominio HAT que está hiperacetilado en la forma activa de la enzima. Se ha propuesto que, tras la autoacetilación, este bucle se libera del sitio de unión al sustrato electronegativo donde se encuentra en el HAT inactivo. También se requiere la acetilación de la levadura Rtt109 en Lys290 para que exhiba una actividad catalítica completa. 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.

Interacción con HDAC

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

Papel biológico

Remodelación de cromatina

Las histonas acetiltransferasas desempeñan 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, reparación y transcripción del ADN. La cromatina en la célula se puede encontrar en dos estados: condensada y no condensada. Esta última, conocida como eucromatina, es transcripcionalmente activa, mientras que la primera, conocida como heterocromatina, es transcripcionalmente inactiva. 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. La histona H1 bloquea el complejo de nucleosoma y es la última proteína en unirse al complejo.

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

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

Las proteínas histonas H3 y H4 son los objetivos principales de los 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. Las lisinas 5, 12, 15 y 20 están acetiladas en la histona H2B, mientras que solo se ha observado que las lisinas 5 y 9 están acetiladas en la histona H2A. Con tantos sitios diferentes para la acetilación, se puede lograr un alto nivel de especificidad al 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 dosis del cromosoma X masculino en Drosophila melanogaster.

Expresión genética

Las modificaciones de las histonas modulan el empaquetamiento de la cromatina. El nivel de empaquetado del ADN es importante para la transcripción genética, ya que la maquinaria transcripcional debe tener acceso al promotor para que se produzca la transcripción. La neutralización de los residuos de lisina cargados por los HAT permite que la cromatina se descondensa para que esta maquinaria tenga acceso al gen que se va a transcribir. Sin embargo, la acetilación no siempre se asocia con una mayor actividad transcripcional. Por ejemplo, la acetilación de H4K12 se ha asociado con cromatina condensada y transcripcionalmente inactiva. Además, algunas modificaciones de las histonas están asociadas con una actividad tanto mejorada como reprimida, de manera dependiente del contexto.

Los HAT actúan como coactivadores transcripcionales o silenciadores de genes 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. Estos complejos incluyen SAGA (Spt/Ada/Gcn5L acetiltransferasa), 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). Estos complejos modulan la especificidad de HAT al llevar los HAT a sus genes diana, donde luego pueden acetilar histonas nucleosomales. Algunos coactivadores transcripcionales HAT contienen un bromodominio, un módulo de 110 aminoácidos que reconoce residuos de lisina acetilada y está funcionalmente vinculado a los coactivadores en la regulación de la transcripción.

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. Los HAT se han implicado como accesorios en la progresión de enfermedades, específicamente en trastornos neurodegenerativos. Por ejemplo, la enfermedad de Huntington es una enfermedad que afecta las habilidades motoras y mentales. La única mutación conocida implicada en la enfermedad está en la región N-terminal de la proteínahuntintina (htt). Se ha informado que htt interactúa directamente con los 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 de ratón con esta afección, se retrasa el reclutamiento de proteínas reparadoras en los sitios de daño del ADN. El mecanismo molecular subyacente a esta respuesta de reparación retardada implica un defecto de acetilación de histonas. Específicamente, la histona H4 está hipoacetilada en un residuo de lisina 16 (H4K16) y este defecto se debe a una asociación reducida de la histona acetiltransferasa, Mof, a la matriz nuclear.

La ataxia espinocerebelosa tipo 1 es una enfermedad neurodegenerativa que surge como resultado de una proteína mutante defectuosa, la Ataxina-1. El mutante Ataxin-1 reduce la acetilación de histonas, lo que da como resultado una transcripción mediada por histona acetiltransferasa reprimida.

Los 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. 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.

La mala regulación del equilibrio entre acetilación y 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 eventualmente provocará 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. Atacar estas enzimas dentro de las células cancerosas podría provocar un aumento de la apoptosis debido a la alta acumulación de daño en el ADN. Uno de esos inhibidores de las histonas acetiltransferasas se llama garcinol. Este compuesto se encuentra en la cáscara 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 garcinol logra inhibir el proceso de unión de extremos no homólogos, un mecanismo de reparación del ADN que muestra preferencia para reparar roturas de doble cadena, entonces puede servir como radiosensibilizador, una molécula que aumenta la sensibilidad de las células al daño por radiación. Los aumentos de la radiosensibilidad pueden aumentar la eficacia de la radioterapia.