Důležitou posttranslační modifikací histonů je acetylace ɛ-aminoskupin na konzervovaných lyzinových zbytcích přítomných v amino-terminálních ocáskách těchto proteinů. Acetylace neutralizuje kladně nabité lyziny, a tím ovlivňuje interakce histonů s jinými proteiny a/nebo s DNA. Acetylace histonů je již dlouho spojována s transkripčně aktivním chromatinem a podílí se také na ukládání histonů během replikace DNA (1, 2). První klonování genu pro histonovou acetyltransferázu (HAT), kvasinkového genu HAT1, bylo oznámeno v roce 1995 (3). Následně se předpokládalo, že protein HAT1 je cytoplazmatický a podílí se na ukládání histonů (4), ačkoli absence fenotypů kvasinkových mutantů hat1, stejně jako nedávné důkazy, že jak lidský, tak kvasinkový enzym jsou jaderné (ref. 5; S. Tafrov a R.S., nepublikovaná práce), činí funkci HAT1 in vivo nejasnou.
Významným průlomem v této oblasti byla purifikace a klonování HAT A, HAT z makronukleu řasnatky Tetrahymena (6). Sekvence HAT A ukázala, že je podobná známému transkripčnímu koaktivátoru kvasinek, GCN5. Od té doby četné studie prokázaly, že GCN5 (a příbuzný P/CAF) jsou konzervované HAT, jejichž aktivita na nukleozomech usnadňuje iniciaci transkripce (přehled v cit.7). Zajímavé je, že GCN5 sám o sobě může acetylovávat volné histony (zejména Lys-14 H3), ale ne nukleosomy. Acetylace nukleosomů GCN5 vyžaduje, aby byl v jednom ze dvou velkých proteinových komplexů, které se u kvasinek nazývají Ada a SAGA (8). V posledních několika letech bylo prokázáno, že HAT aktivitu má několik savčích proteinů, které nejsou příbuzné GCN5, ale rovněž se podílejí na aktivaci transkripce. Patří mezi ně CBP/p300, TAF250, ACTR a SRC-1 (9-12). Je tedy stále jasnější, že acetylace histonů na nukleosomech je významnou součástí vícestupňového procesu aktivace genů.
V tomto čísle sborníku Trievel et al. (13) uvádějí krystalovou strukturu katalytické HAT domény kvasinkového GCN5. Tato doména zahrnuje zbytky 99-262 439-aa proteinu. Část jejich struktury, která se skládá ze čtyř antiparalelních β-řetězců (β1-4), následovaných α-helixem (α3) a dalším β-řetězcem (β5), je zobrazena na obr. 1.1. Tato část GCN5 je svou strukturou velmi podobná kvasinkové HAT1 (14), stejně jako dvěma dalším N-acetyltransferasám, jejichž substráty nejsou histony, a to aminoglykosid 3-N-acetyltransferase (AAT; cit.15 ) a serotonin N-acetyltransferase (16). Všechny tyto enzymy jsou členy rodiny proteinů, které byly na základě sekvenční analýzy identifikovány jako proteiny s podobností se známými N-acetyltransferázami, jako je GCN5, a proto se nazývají superrodina GNAT (17). Členové této nadrodiny mají společnou vlastnost, že přenášejí acetylovou skupinu z acetyl CoA na primární aminoskupinu, i když u různých enzymů jde o velmi odlišné aminoskupiny; tj, na ɛ-amino skupiny na lyzinech v případě HAT, na α-amino skupiny na N-koncích proteinů v případě enzymů jako ARD1 nebo MAK3, na cukry v případě AAT (15) a GNA1 (18, 19) nebo na serotonin v případě serotonin N-acetyltransferázy (16). Všichni členové nadrodiny GNAT mají konzervovaný motiv označovaný jako motiv A (na obr. 1 je znázorněn červeně),1) a většina z nich má další dva konzervované motivy označované jako B a D.
Krabicové schéma GCN5 zobrazující konzervované jádro, které se nachází u čtyř N-acetyltransferáz a u N-myristoyltransferázy. Motiv A superrodiny GNAT je znázorněn červeně. Acetyl CoA přítomný v HAT1 je modelován do struktury GCN5. Žlutě je znázorněna síra v acetyl CoA.
Předpokládalo se, že konzervované motivy v nadrodině GNAT se budou podílet na vazbě acetyl CoA, protože je to jediný substrát, který mají tyto různé N-acetyltransferázy společný (17). Struktura HAT1 s navázaným acetyl CoA skutečně potvrdila, že motiv A se podílí na vazbě CoA (14), stejně jako strukturní práce s aminoglykosid 3-N-acetyltransferasou (15) a serotonin N-acetyltransferasou (20). Na obr. 11 byl acetyl CoA modelován do struktury GCN5 na základě jeho pozice v HAT1 (13, 14). Acetyl CoA je vázán ve štěrbině ve tvaru písmene V, která vzniká mezi β-řetězci 4 a 5. Vysoce konzervovaný motiv A rodiny GNAT se váže na pyrofosfátovou část acetyl CoA. Pantothenátové a β-merkaptoetanolaminové jednotky CoA jsou orientovány podél β4 a jsou s ní vodíkově vázány, čímž napodobují β-řetězec.
Trievel et al. (13) navrhují mechanismus katalýzy pomocí GCN5. Předpokládají, že glutamátový zbytek (Glu-173) je umístěn tak, aby abstrahoval proton ze skupiny NH3+ na acetylovaném lysinu, takže nenabitá aminoskupina pak může provést nukleofilní útok na karbonylový uhlík reaktivní thioesterové skupiny acetyl CoA. Obr. 22 ukazuje superpozici předpokládaných oblastí aktivního místa GCN5 (žlutě) a HAT1 (červeně) s navázaným acetyl CoA. Opět si všimněte, jak jsou si oba proteiny v této oblasti strukturně podobné. Podle návrhu Trievela a spol. by se Glu-173 GCN5, zejména po reorientaci svého postranního řetězce, nacházel dostatečně blízko vstupujícího lysinu, aby mohl provádět bazickou katalýzu. Mutace Glu-173 na Gln skutečně ruší aktivitu in vivo i in vitro (13). V HAT1 se na odpovídajícím místě nenachází žádný zbytek Glu nebo Asp. Všimli jsme si však, že Glu-255 nebo Asp-256 HAT1 na sousedním β-řetězci štěpení jsou umístěny tak, že by mohly plnit stejnou katalytickou funkci (obr. (obr. 2).2). Tyto zbytky zatím nebyly mutovány.
Superpozice β4-α3-β5 GCN5 (žlutě) a odpovídající oblasti HAT1 (červeně). Proteiny jsou znázorněny jako stopy Cα s navázaným acetyl CoA. Glu-173 GCN5, o němž se předpokládá, že se podílí na katalýze, je znázorněn v kulovém a tyčinkovém zobrazení, stejně jako zbytky Glu-255 a Asp-256 HAT1.
Ze struktur GCN5, HAT1 a dalších dvou členů nadrodiny GNAT je zřejmé, že sdílejí konzervované jádro, včetně vazebného místa pro acetyl CoA (obr. (obr. 1).1). Je zajímavé, že N-myristoyltransferasa má podobnou strukturu jako výše zmíněné N-acetyltransferasy (21, 22), i když tento enzym přenáší mnohem větší acylovou skupinu z myristoyl CoA na α-aminoskupiny glycinů na N koncích substrátových proteinů. Naproti tomu chloramfenikol acetyltransferasa, která acetyluje hydroxylovou skupinu, podobnou strukturu nemá. Zdá se, že všechny enzymy GNAT, které acetylují aminoskupiny na rozmanitém souboru substrátů, vážou acetyl CoA velmi podobným způsobem a možná sdílejí podobný katalytický mechanismus. Tyto enzymy se samozřejmě budou lišit v oblastech, které vážou acetylovaný substrát. Pokud jde o HAT, dalším cílem bude určit strukturu s histonovým nebo peptidovým substrátem navázaným na enzym
.