wykład 3 modyfikacje histonow

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.

Modyfikacje histonów rdzeniowych

•

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

Acetylacja K-ac

Aktywacja transkrypcji, replikacja DNA, naprawa DNA, składanie

chromatyny Metylacja K-me1, K-me2, K-me3

R-me1, R-me2s, R-me2a

Aktywacja, elongacja i represja transkrypcji

Fosforylacja S-ph, T-ph, Y-ph 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

S/T

P

S/T

kinazy

fosfatazy

fosforylacja

• 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.

K

K

acetylacja

Ac

K

K

metylacja

Me

Zmiana struktury chromatyny

Hamowanie oddziaływania czynników białkowych

Nowe miejsca wiązania dla czynników białkowych

Modyfikacje histonów nie są rozłożone

równomiernie wzdłuż chromosomów i

obszarów genowych

Hipoteza „kodu histonowego”

• Określony wzór

modyfikacji histonów

determinuje aktywność

transkrypcyjną genów

• Modyfikacje histonów

rekrutują białka

efektorowe

• Modyfikacje histonowe

mogą wzajemnie

wpływać na siebie

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

Fosforylacja seryny 10 histonu H3 towarzyszy

kondensacji chromosomów w komórkach zwierzęcych

podczas podziałów komórkowych

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)

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.

The kinase haspin is required for mitotic histone H3 Thr 3 Phosphorylation and normal metaphase chromosome alignment

Sandra B. Hake, Benjamin A. Garcia, Monika Kauer, Stephen P. Baker, Jeffrey Shabanowitz, Donald F. Hunt, and C. David Allis, PNAS 2005

Fosforylacja seryny 31 histonu H3.3 jest zlokalizowana w

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

• szybkie, przejściowe zmiany

modyfikacji H3 (fosforylacji S10

i fosfoacetylacji)

Molecular Cell, Vol. 5, 905–915

• zmiany dotyczą tylko niewielkiej

puli histonów, związanej z genami

wczesnej odpowiedzi

(immediate-early: c-fos, c-jun)

Udział modyfikacji histonów rdzeniowych podczas aktywacji genów wczesnej odpowiedzi: odpowiedź komórek zwierzęcych na stres i czynniki stymulujące podziały komórkowe

odpowiedź

Odpowiedź nukleosomowa w komórkach zwierzęcych

0 min 1 min 5 min 10 min 20 min

37°C

22°C

Zmiany na poziomie fosforylacji seryny 10 histonu H3 w odpowiedzi na szok cieplny

Phosphorylation of histone H3 correlates with transcriptionally active loci

Scott J. Nowak and Victor G. Corces

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,*

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

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

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

Wysoki stopień homologicznośći p55 i Gcn5 wsakzuję,

Acetylacja histonów jest związana z wyższą

aktywnością transkrypcyjną

Acetylacja lizyn znosi dodatni ładunek

elektryczny na grupie aminowej i osłabia

Acetylacja histonów rdzeniowych

rozluźnia strukturę chromatyny

acetylacja

deacetylacja

jest wrażliwa na trawienia DNasą I i MNasą

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

Ada2p Ada3p Spt8p Spt20/ Ada5 p _Gcn5p HAT Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac AcTBP Act. SAGA Complex Spt7p Tra1p Spt3p TAF68/61p TAF60p TAF20/17p Ada1p TAF90p TAF25/23p

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

Molecular Cell, Vol. 5, 917–926, 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

Rola fosforylacji S10/H3 w regulacji ekspresji genów przez drożdżowy

kompleks białkowy zawierający acetylotransferazę histonową Gcn5

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.

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,*

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

Ronen Marmorsteina, Shelley L. Berger Gene 272 (2001) 1±9

Funkcje bromodomeny w czasie transkrypcji

Rola acetylacji histonów

Ułatwia dostęp czynnikom transkrypcyjnym do

nukleosomowego DNA

Dekondensuje 30 nm włókna chromatynowe

Wyznacza miejsca wiązania niehistonowych

białek (np. białek zawierających motyw

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 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 - białka wykazujące podobieństwo zarówno do Rdp3 jak i Hda1; hamowane przez trichostatynę A i maślany; funkcja nieznana

V rośliny 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

Aktywator transkrypcji rekrutuje acetylotransferasę

Kompleks NuRD integruje trzy

mechanizmy regulacji ekspresji

genów

ATP-zależny

remodeling

chromatyny

deacetylacja

histonów

białko wiążące

metylowany DNA