Ацетилювання

N-кінцеве ацетилювання

N-кінцеве ацетилювання є однією з найпоширеніших ко-трансляційних ковалентних модифікацій амінокислот еукаріотів, яка відіграє важливу роль у регуляції функціонування різних білків. N-кінцеве ацетилювання визначає рівень синтезу, стабільність та локалізацію білків. Близько 85 % усіх білків людини і 68 % білків дріжджів ацетильовані на їх Nα-кінцях.[6] Кілька білків прокаріотів і археїв також модифікуються N-кінцевим ацетилюванням.

N-кінцеве ацетилювання каталізується набором ферментних комплексів, N-кінцевих ацетилтрансфераз (NATи). NATи переносять ацетильну групу з ацетил-коензиму А (Ac-CoA) до α-аміногрупи першого амінокислотного залишку білка. Різні NATи відповідають за ацетилювання N-кінцевого білка - амінокислотного ланцюга, який синтезується. Ацетилювання досі вважалося незворотним.[7]

На сьогоднішній день у людини виявлено шість різних типів NAT — NatA, NatB, NatC, NatD, NatE та NatF. Кожен з цих різних ферментних комплексів є специфічним для різних амінокислот або амінокислотних послідовностей, які показані в наступній таблиці.

Таблиця 1. Склад та субстратна специфіка NAT.

Кристалічна структура комплексу NatA (Naa10 і Naa15) з помпозу Schizosaccharomyces . Зелені ланцюги являють собою допоміжну субодиницю Naa15, а цианові ланцюги — каталітичну субодиницю Naa10.[8] (Ідентифікатор PDB: 4KVM)

NatA складається з двох субодиниць: каталітичної субодиниці Naa10 та допоміжної субодиниці Naa15. Субодиниці NatA складніші у вищих еукаріотів, у порівнянні з нижчими еукаріотами. Naa10/Naa15 є найпоширенішим NatA і кодуються генами NAA10 та NAA15, відповідно. На додаток до генів NAA10 та NAA15, у ссавців є специфічні гени NAA11 і NAA16, яким відповідають функціональні білкові продукти, що утворюють різні активні комплекси NatA. Ці чотири каталітичні білки утворюють чотири можливі каталітично-допоміжні димери hNatA.[9]

NatA ацетилати Ser-, Ala-, Gly-, Thr-, Val- та Cys- N-кінцеві після того, як ініційований метіонін видаляється метіонинамінопептидазами. Ці амінокислоти частіше експресуються в N-кінцевих білках еукаріотів, тому NatA є основним NAT, що відповідає всій кількості його потенційних субстратів.[10]

Кілька різних партнерів по взаємодії беруть участь у N-кінцевому ацетилюванні NatA. Хантінтин-взаємодіючий білок К (HYPK) взаємодіє з hNatA на рибосомі для впливу на N-кінцеве ацетилювання підмножини субстратів NatA. Субодиниці hNaa10 та hNaa15 посилюють тенденцію до агрегації Хантінтіна, якщо HYPK виснажується. Було також встановлено, що індукований гіпоксією фактор (HIF)-1α взаємодіє з hNaa10, щоб інгібувати активацію опосередкованої hNaa10 активності транскрипції β-катеніну.[11]

Комплекси NatB складаються з каталітичної субодиниці Naa20p та допоміжної субодиниці Naa25p, які є як у дріжджів, так і у людини. У дріжджів всі субодиниці NatB пов'язані з рибосомами; а у людини субодиниці NatB виявляються як пов'язаними із рибосомою, так і у нерибосомальній формі. NatB ацетилює N-кінцевий метіонін субстратів, починаючи з терміналів Met- Glu-, Met-Asp-, Met-Asn- або Met-Gln- N-кінців.

Комплекс NatC складається з однієї каталітичної субодиниці Naa30p та двох допоміжних підодиниць Naa35p і Naa38p. Усі три субодиниці знаходяться на рибосомі у дріжджах, але вони також є у не-рибосомальних формах NAT, як Nat2. NatC-комплекс ацетилює N-кінцевий метіонін субстратів Met-Leu -, Met-Ile-, Met-Trp- або Met-Phe- N-кінців.

NatD складається лише з каталітичної одиниці Naa40р, яка концептуально відрізняється від інших комплексів NAT. Спочатку було виділено лише два субстрати — H2A та H4 у дріжджів та людини. По-друге, специфічність субстрату Naa40p лежить в межах перших 30-50 залишків, що значно більше, ніж специфічність субстрату інших NAT. Ацетилювання гістонів комплексом NatD частково пов'язане з рибосомами, а амінокислотні субстрати є самими N-кінцевими залишками, що відрізняє його від лізинових N-ацетилтрансфераз (KATs).[12]

Комплекс NatE складається з субодиниці Naa50p та двох NatA субодиниць: Naa10p і Naa15p. N кінець субстратів Naa50p відрізняється від них NatA ацетильованою активністю Naa10p.[13]

NatF-димер людини

NatF — це NAT, до складу якого входить фермент Naa60. Спочатку вважалося, що NatF виявлений лише у вищих еукаріотів, оскільки він відсутній у дріжджів.[14] Однак пізніше було встановлено, що Naa60 знаходиться у всьому еукаріотичному домені, хоча вдруге втрачається у лінії грибів.[15] Порівняно з дріжджами, NatF сприяє підвищенню кількості N-кінцевого ацетилювання у людини. NatF-комплекс ацетилює N-кінцевий метіонін субстратів Met-Lys-, Met-Leu-, Met-Ile-, Met-Trp- і Met-Phe- N-закінчення, які частково перекриваються з NatC і NatE.[6] Показано, що NatF локалізується у певних клітинних компартментах та ацетилює цитозольні N-кінці трансмембранних білків.[16] Компартменталізація Naa60 опосередковується його унікальним С-кінцем, який складається з двох альфа-спіралей, які периферично асоціюються з мембраною і опосередковують взаємодію з фосфатидилінозитол-4-фосфатом PI(4)P.[17]

NAA80/NatH — це N-кінцева ацетилтрансфераза, яка специфічно ацетилює N-кінець актину.[18]

N-кінцеве ацетилювання може впливати на стабільність білка, але результати та механізм поки остаточно незрозумілі.[19] Спочатку вважалося, що N-кінцеве ацетилювання захищає білки від деградації, оскільки Nα-ацетилювання N-кінців повинно було блокувати N-кінцеву повсюдність і подальшу деградацію білка.[20] Але ряд досліджень показав, що N-кінцевий ацетильований білок має швидкість деградації подібну до білків із неблокованим N-кінцем.[21]

Показано, що N-кінцеве ацетилювання може керувати розташуванням білків. Arl3p — одна з «Arf-подібних» (Arl) GTPаз, яка має вирішальне значення для організації мембранного руху.[22] Nα-ацетилювання Arl3 запущене за допомогою Голджі-мембран-приналежного білка Sys1p спрямовує транспорт вказаного білка до мембранного комплексу апарату Гольджі. Якщо Phe або Tyr замінити на Ala на N-кінці Arl3p, він більше не зможе розташовуватися на мембрані Ґольджі, що вказує на те, що Arl3p потребує своїх природних N-кінцевих залишків, які можуть бути ацетильовані для належної локалізації.[23]

Також доведено, що білок N-кінцевого ацетилювання пов'язаний з регуляцією клітинного циклу та апоптозу. Генетичне виснаження (нокдаун) NatA або NatC комплексів призводить до індукції р53-залежного апоптозу, що може свідчити про меншу кількість антиапоптотичних білків або зупинку функціонування через зменшення білка N-кінцевого ацетилювання.[24] Проте, на відміну від нього, каспаза-2, ацетильована NatA, може взаємодіяти з адаптерним білком RIP пов'язаним із Ich-1/Ced-3 гомологічними білками зі смертю домен (RAIDD). Це може активувати каспазу-2 і індукує клітинний апоптоз.[25]

Рибосоми білків відіграють важливу роль в процесі синтезу білка, який може бути ацетильованим на N-кінці. N-кінцеве ацетилювання білків рибосоми може впливати на синтез білка. Зниження на 27 % і 23 % у швидкості синтезу білка спостерігалося з NatA і NatB штамів видалення. Зниження точності трансляції спостерігалася у NatA деформації видалення і дефект в рибосомі був помічений у NatB деформації видалення.[26]

Запропоновано, що NATи можуть виступати як онко-білки і пухлинні супресори при захворюваннях людей на рак, і експресія NAT може як збільшувати, так і зменшувати ракові клітини. Ектопічна експресія hNaa10p підвищеної проліферації клітин та регуляції генів, що беруть участь в клітинної проліферації та виживання обміну речовин. Надмірна експресія hNaa10p спостерігалася при раку сечового міхура, раку молочної залози та раку шийки матки.[27] Але експресія високого рівня hNaa10p також може пригнічувати ріст пухлини і знижений рівень hNaa10p пов'язаний з поганими прогнозами, великими пухлинами і метастазами у лімфовузлах.

Таблиця 2. Огляд вираження NatA субодиниць в різних ракових тканинах[28]

Ацетилування лізину

Білки зазвичай ацетильовані на залишках лізину, і ця реакція покладається на ацетил-коензим A як донора ацетильної групи. У процесі ацетилування і деацетилювання гістонів, гістонові білки ацетильовані і деацетильовані на лізинових залишках N-кінцевий хвіст як частина генної регуляції. Зазвичай ці реакції каталізуються ферментами з активністю ацетилтрансферази гістонів (HAT) або гістондеацетилази (деацетилазах гістонів), хоча NATи і HDACи можуть також змінювати статус ацетилювання негістонових білків.[29]

Регуляція факторів транскрипції, ефекторних білків, молекулярних шаперонів та цитоскелетних білків шляхом ацетилювання і деацетилирования є істотним після-трансляційним регуляторним механізмом.[30] Ці регуляторні механізми аналогічні до фосфорилювання і дефосфорилювання під дією кіназ і фосфатаз. Не тільки стан ацетилювання білка може змінювати його активність, але останнім часом припускається, що ця пост-трансляційна модифікація може також надати перехресні переваги для фосфорилювання, метилювання, убіквітинування, сумоїляцією та інші для динамічного контролю клітинної сигналізації.[31] Прикладом цього є регулювання білка тубуліну в нейронах мишей і астроглії.[32][33] Тубулінова ацетилтрансфераза розташована в аксонемі, і ацетилює в α-тубулінову субодиницю в зібраній мікротрубочці. Після того як один раз розібрано, це ацетилювання видаляється іншою специфічною деацетилазою в цитозолі клітини. Таким чином, аксонемальні мікротрубочки, які мають тривалий період напіввиведення, здійснюють «підписне ацетилювання», яке відсутнє у цитозольних мікротрубочках, які мають коротший період напіввиведення.

У галузі епігенетики показано, що ацетилювання гістону (і деацетилювання) є важливими механізмами регуляції транскрипції генів. Однак гістони не є єдиними білками, регульованими посттрансляційним ацетилюванням. Далі наведено приклади різних інших білків, які мають роль у регуляції перетворення сигналу, на діяльність яких також впливає ацетилювання та деацетилювання.

Білок p53 — це пухлинний супресор, який відіграє важливу роль у сигнальних транзакціях у клітинах, особливо у підтримці стабільності геному шляхом запобігання мутації. Тому він також відомий як «охоронець геному». Він також регулює клітинний цикл і затримує ріст клітин, активуючи регулятор клітинного циклу, p21 . При сильному пошкодженні ДНК він також ініціює програму загибелі клітини . Функція p53 негативно регулюється онкобілком Mdm2. Дослідження припускали, що Mdm2 формуватиме комплекс з p53 і не дозволяє йому зв'язуватися з певними генами, чутливими до p53.[34][35]

сайт ацетилювання p53

Ацетилювання р53 незамінне для його активації. Повідомлялося, що рівень ацетилювання p53 значно зростає, коли клітина зазнає стресу. На p53 є три основні місця ацетилювання: K164, K120 і C-кінець.[36] Якщо лише одна з ділянок ацетилювання дефектована, активація p21 все ще спостерігається. Однак якщо всі три сайти активації заблоковані, активація p21 та придушення росту клітин, викликане p53, будуть повністю втрачені. Крім того, ацетилювання p53 перешкоджає його зв'язуванню з репресором Mdm2 на ДНК.[37] Також передбачається, що ацетилювання p53 має вирішальне значення для проапоптотичних функцій, незалежних від транскрипції.[38]

Оскільки основна функція p53 — це супресор пухлини, ідея про те, що активація p53 є привабливою стратегією лікування раку. Nutlin-3[39] — це невелика молекула, призначена для націлювання на взаємодію p53 та Mdm2, яка утримувала p53 від дезактивації.[40] Звіти також показали, що ракова клітина під час лікування Nutilin-3a, ацетилювання lys 382, спостерігалася в c-кінці білка p53.[41][42]

Утворення мікротрубочки

Структура мікротрубочок — це довгий, порожнистий циліндр, який динамічно зібраний із димерів α/β-тубуліну. Вони відіграють важливу роль у підтримці структури клітини, а також клітинних процесах, наприклад, руху органел.[43] Крім того, мікротрубочка відповідає за формування мітотичного веретена в еукаріотичних клітинах для транспортування хромосом при поділі клітин.[44][45]

Ацетилювання тубуліну

Ацетильований залишок α-тубуліну — К40, який у людини каталізується α-тубулін ацетил-трансферазою (α-TAT). Ацетилювання K40 на α-тубулін є ознакою стабільних мікротрубочок. Залишки активної ділянки D157 та C120 α-TAT1 відповідають за каталіз через форму, що доповнює α-тубулін. Крім того, деякі унікальні структурні особливості, такі як шпилька β4-β5, ділянка С-кінцевого циклу та ділянки петлі α1-α2, важливі для специфічного розпізнавання α-тубуліну.[46] Зворотна реакція ацетилювання каталізується гістондеацетилазою 6.[47]

Оскільки мікротрубочки відіграють важливу роль у поділі клітин, особливо у фазі G2/M клітинного циклу, були зроблені спроби унеможливити функціонування мікротрубочок за допомогою інгібіторів малих молекул, які успішно використовуються в клініках як терапія раку.[48] Наприклад, алкалоїди винка та таксани селективно зв'язуються і інгібують мікротрубочки, що призводить до зупинки клітинного циклу.[49] Ідентифікація кристалічної структури ацетилювання α-тубулін ацетил-трансферази (α-TAT) також проливає світло на виявлення невеликої молекули, яка могла б модулювати стабільність або деполімеризацію тубуліну. Іншими словами, орієнтуючись на α-TAT, можна запобігти ацетилюванню тубуліну і призвести до дестабілізації тубуліну, що є аналогічним механізмом дестабілізуючих агентів тубуліну.[46]

Перетворювач сигналу та активатор транскрипції 3 (STAT3, від англ. «Signal Transducer and Activator of Transcription 3») — це фактор транскрипції, який фосфорилюється кіназами, пов'язаними з рецепторами, наприклад, тирозинкінази сімейства Януса, і переходить у ядро . STAT3 регулює декілька генів у відповідь на фактори росту та цитокіни та відіграють важливу роль у ріст клітин. Тому STAT3 полегшує онкогенез у різних шляхах, пов'язаних із ростом клітин. З іншого боку, він також відіграє роль в супресорі пухлини .[50]

Структура та ацетилювання залишку STAT3

Ацетилювання Lys685 STAT3 має важливе значення для STAT3 гомо-димеризації, що має важливе значення для ДНК-зв'язування та транскрипційної активації онкогенів . Ацетилювання STAT3 каталізується гістон-ацетилтрансферазою p300 і реверсується за допомогою хістондеацетилази типу 1. Ацетилювання лізину STAT3 також підвищено в ракових клітинах.[51]

Оскільки ацетилювання STAT3 важливе для його онкогенної активності та того, що рівень ацетильованого STAT3 високий у ракових клітинах (мається на увазі, що орієнтація на ацетильований STAT3 для хіміопрофілактики та хіміотерапії є перспективною стратегією). Ця стратегія підтримується шляхом лікування ресвератролу, інгібітора ацетилювання STAT3, у раковій клітинній лінії обертається відхилене метилювання острова CpG.[52]