Una importante modificación postraduccional de las histonas es la acetilación de grupos ɛ-amino en residuos de lisina conservados presentes en las colas aminoterminales de estas proteínas. La acetilación neutraliza las lisinas cargadas positivamente y, por tanto, afecta a las interacciones de las histonas con otras proteínas y/o con el ADN. La acetilación de las histonas se ha asociado desde hace tiempo a la cromatina transcripcionalmente activa y también se ha implicado en la deposición de las histonas durante la replicación del ADN (1, 2). La primera clonación de un gen de la histona acetiltransferasa (HAT), el gen HAT1 de la levadura, se comunicó en 1995 (3). Posteriormente, se sugirió que la proteína HAT1 es citoplásmica y está implicada en la deposición de histonas (4), aunque la falta de fenotipos de los mutantes hat1 de levadura, así como la reciente evidencia de que tanto la enzima humana como la de levadura son nucleares (ref. 5; S. Tafrov y R.S., Un gran avance en este campo fue la purificación y clonación de la HAT A, una HAT del macronúcleo del ciliado Tetrahymena (6). La secuencia del HAT A demostró que era similar a un coactivador transcripcional conocido de la levadura, el GCN5. Desde entonces, numerosos estudios han demostrado que GCN5 (y el relacionado P/CAF) son HATs conservados cuya actividad en los nucleosomas facilita la iniciación de la transcripción (revisado en la ref. 7). Curiosamente, el GCN5 por sí mismo puede acetilar histonas libres (particularmente la Lys-14 de H3) pero no nucleosomas. La acetilación de nucleosomas por parte de GCN5 requiere que se encuentre en uno de los dos grandes complejos proteicos llamados Ada y SAGA en la levadura (8). En los últimos años se ha demostrado que varias proteínas de mamíferos, no relacionadas con GCN5 pero también implicadas en la activación transcripcional, tienen actividad HAT. Entre ellas se encuentran CBP/p300, TAF250, ACTR y SRC-1 (9-12). Así pues, cada vez está más claro que la acetilación de las histonas de los nucleosomas es un componente importante del proceso de activación génica en varios pasos.
En este número de las Actas, Trievel et al. (13) informan de la estructura cristalina del dominio HAT catalítico del GCN5 de levadura. Este dominio abarca los residuos 99-262 de la proteína de 439-aa. Una parte de su estructura, que consiste en cuatro hebras β antiparalelas (β1-4), seguidas de una α-hélice (α3) y otra hebra β (β5), se muestra en la Fig. Esta parte de GCN5 es muy similar en estructura a la de la HAT1 de levadura (14), así como a otras dos N-acetiltransferasas cuyos sustratos no son las histonas, a saber, la aminoglucósido 3-N-acetiltransferasa (AAT; ref. 15) y la serotonina N-acetiltransferasa (16). Todas estas enzimas son miembros de una familia de proteínas identificadas por el análisis de la secuencia como similares a las N-acetiltransferasas conocidas, como la GCN5, y por ello se denominan superfamilia GNAT (17). Los miembros de esta superfamilia tienen la característica común de que transfieren un grupo acetilo de la acetil CoA a un grupo amino primario, aunque con grupos aminos muy diferentes para las distintas enzimas; es decir a grupos ɛ-amino de las lisinas en el caso de las HAT, a grupos α-amino de los extremos N de las proteínas en el caso de enzimas como ARD1 o MAK3, a azúcares en el caso de AAT (15) y GNA1 (18, 19), o a serotonina en el caso de la N-acetiltransferasa de serotonina (16). Todos los miembros de la superfamilia GNAT tienen un motivo conservado llamado motivo A (mostrado en rojo en la Fig. 1),1), y la mayoría de ellos tienen otros dos motivos conservados llamados B y D.
Diagrama de cinta de GCN5 que muestra el núcleo conservado que se encuentra en cuatro N-acetiltransferasas y en una N-miristoil transferasa. El motivo A de la superfamilia GNAT se muestra en rojo. El acetil CoA presente en la HAT1 está modelado en la estructura de la GCN5. El azufre en el acetil CoA se muestra en amarillo.
Se predijo que los motivos conservados en la superfamilia GNAT estarían implicados en la unión del acetil CoA porque es el único sustrato que estas diversas N-acetiltransferasas tienen en común (17). De hecho, la estructura de HAT1 con acetil CoA unido confirmó que el motivo A está implicado en la unión de CoA (14), al igual que el trabajo estructural con la aminoglucósido 3-N-acetiltransferasa (15) y la serotonina N-acetiltransferasa (20). En la Fig. 11 se ha modelado el acetil CoA en la estructura de la GCN5, basándose en su posición en la HAT1 (13, 14). El acetil CoA se une en una hendidura en forma de V, formada entre las hebras β 4 y 5. El motivo A altamente conservado de la familia GNAT se une a la fracción de pirofosfato del acetil CoA. Las unidades de pantotenato y β-mercaptoetanolamina de la CoA se orientan a lo largo de β4 y se unen con hidrógeno a ella, imitando así una hebra β.
Trievel et al. (13) proponen un mecanismo para la catálisis por GCN5. Sugieren que un residuo de glutamato (Glu-173) está posicionado para abstraer un protón de un grupo NH3+ en la lisina que va a ser acetilada, de manera que el grupo amino no cargado puede entonces realizar un ataque nucleofílico sobre el carbono carbonilo del grupo tioéster reactivo del acetil CoA. La Fig. 22 muestra una superposición de las supuestas regiones del sitio activo de GCN5 (en amarillo) y HAT1 (en rojo) con acetil CoA unido. Una vez más, obsérvese lo estructuralmente similares que son las dos proteínas en esta región. Según la propuesta de Trievel et al., el Glu-173 de GCN5, especialmente después de la reorientación de su cadena lateral, estaría lo suficientemente cerca de la lisina entrante para realizar la catálisis de la base. De hecho, la mutación de Glu-173 a Gln suprime la actividad in vivo e in vitro (13). No hay ningún residuo Glu o Asp en la posición correspondiente en HAT1. Sin embargo, observamos que Glu-255 o Asp-256 de HAT1 en la cadena β adyacente de la hendidura están posicionados de forma que podrían realizar la misma función catalítica (Fig. (Fig.2).2). Esos residuos no han sido mutados todavía.
Superposición de β4-α3-β5 de GCN5 (amarillo) y la región correspondiente de HAT1 (rojo). Las proteínas se representan como trazos Cα con acetil CoA unido. Glu-173 de GCN5, que se cree que está implicado en la catálisis, se muestra en representación de bola y palo, al igual que los residuos Glu-255 y Asp-256 de HAT1.
De las estructuras de GCN5, HAT1 y otros dos miembros de la superfamilia GNAT se desprende que comparten un núcleo conservado, incluyendo el sitio de unión para el acetil CoA (Fig. (Fig.1).1). Curiosamente, la N-miristoiltransferasa tiene una estructura similar a la de las N-acetiltransferasas comentadas anteriormente (21, 22), aunque esta enzima transfiere un grupo acilo mucho mayor de la miristoil CoA a los grupos α-amino de las glicinas en el extremo N de las proteínas sustratadas. Por otro lado, la cloranfenicol acetiltransferasa, que acetila un grupo hidroxilo, no tiene una estructura similar. Parece que las enzimas GNAT que acetilan grupos amino en un conjunto diverso de sustratos se unen todas a la acetil CoA de forma muy similar, y quizás comparten un mecanismo catalítico similar. Por supuesto, estas enzimas difieren en las regiones que se unen al sustrato a acetilar. En cuanto a las HAT, el próximo objetivo será determinar una estructura con un sustrato de histona o péptido unido a la enzima.