A hisztonok fontos poszttranszlációs módosítása a ɛ-aminocsoportok acetilálása a fehérjék amino-terminális végén található konzervált lizinmaradékokon. Az acetilálás semlegesíti a pozitív töltésű lizineket, és így befolyásolja a hisztonok kölcsönhatásait más fehérjékkel és/vagy a DNS-sel. A hiszton acetilációt régóta összefüggésbe hozzák a transzkripcionálisan aktív kromatinnal, és a DNS-replikáció során a hisztonok lerakódásával is összefüggésbe hozzák (1, 2). A hiszton acetiltranszferáz (HAT) gén, az élesztő HAT1 génjének első klónozásáról 1995-ben számoltak be (3). Ezt követően azt feltételezték, hogy a HAT1 fehérje citoplazmatikus és részt vesz a hisztonok lerakódásában (4), bár az élesztő HAT1 mutánsok fenotípusának hiánya, valamint a legújabb bizonyítékok szerint mind a humán, mind az élesztő enzimek nukleárisak (hivatkozás 5; S. Tafrov és R.S., nem publikált munka), a HAT1 in vivo funkcióját nem teszi egyértelművé.
A nagy áttörést ezen a területen a HAT A, a Tetrahymena ciliata makronucleusából származó HAT tisztítása és klónozása jelentette (6). A HAT A szekvenciája azt mutatta, hogy hasonlít egy ismert élesztő transzkripciós koaktivátorhoz, a GCN5-höz. Azóta számos tanulmány bizonyította, hogy a GCN5 (és a rokon P/CAF) konzervált HAT-ok, amelyek nukleoszómákon kifejtett aktivitása elősegíti a transzkripció beindulását (áttekintés a 7. hivatkozásban). Érdekes módon a GCN5 önmagában képes acetilálni a szabad hisztonokat (különösen a H3 Lys-14-ét), de a nukleoszómákat nem. A nukleoszómák GCN5 általi acetilálásához az szükséges, hogy az élesztőben az Ada és a SAGA nevű két nagy fehérjekomplex egyikében legyen (8). Az elmúlt néhány évben több, a GCN5-től független, de a transzkripció aktiválásában szintén szerepet játszó emlős fehérjéről kimutatták, hogy HAT-aktivitással rendelkeznek. Ezek közé tartozik a CBP/p300, a TAF250, az ACTR és az SRC-1 (9-12). Így egyre világosabbá válik, hogy a nukleoszómák hiszton acetilációja a többlépcsős génaktivációs folyamat jelentős összetevője.
A Proceedings e számában Trievel és munkatársai (13) közlik az élesztő GCN5 katalitikus HAT doménjének kristályszerkezetét. Ez a domén a 439-aa-s fehérje 99-262. maradékát foglalja magába. Szerkezetük egy része, amely négy antiparallel β-szálból (β1-4), majd egy α-hélixből (α3) és egy másik β-szálból (β5) áll, az 1.1.1. ábrán látható. A GCN5 ezen része nagyon hasonló szerkezetű az élesztő HAT1 (14), valamint két másik N-acetiltranszferázéhoz, amelyek szubsztrátjai nem hisztonok, nevezetesen az aminoglikozid 3-N-acetiltranszferázéhoz (AAT; hivatkozás 15) és a szerotonin N-acetiltranszferázéhoz (16). Mindezek az enzimek egy olyan fehérjecsalád tagjai, amelyet szekvenciaelemzéssel azonosítottak, mint amelyek hasonlóságot mutatnak az ismert N-acetiltranszferázokkal, például a GCN5-tel, és ezért GNAT szupercsaládnak neveznek (17). E szupercsalád tagjainak közös jellemzője, hogy acetilcsoportot visznek át az acetil-CoA-ból egy primer aminocsoportra, bár a különböző enzimek esetében nagyon különböző aminocsoportok, azaz, a HAT-ok esetében a lizinek ɛ-aminocsoportjaira, az olyan enzimek esetében, mint az ARD1 vagy a MAK3, a fehérjék N-terminálisán lévő α-aminocsoportokra, az AAT (15) és a GNA1 (18, 19) esetében cukrokra, a szerotonin N-acetiltranszferáz esetében pedig a szerotoninra (16). A GNAT szupercsalád minden tagja rendelkezik egy A-motívumnak nevezett konzervált motívummal (az 1. ábrán pirossal jelölve),1) és legtöbbjüknek van két másik konzervált motívuma, a B és D.
A GCN5 szalagdiagramja, amely a négy N-acetiltranszferázban és egy N-mirisztoil-transzferázban megtalálható konzervált magot mutatja. Pirossal a GNAT szupercsalád A motívuma látható. A HAT1-ben jelen lévő acetil-CoA a GCN5 szerkezetébe van modellezve. Az acetil-CoA-ban lévő kén sárgával látható.
Azt jósolták, hogy a GNAT szupercsalád konzervált motívumai részt vesznek az acetil-CoA megkötésében, mivel ez az egyetlen közös szubsztrát ezekben a különböző N-acetiltranszferázokban (17). Valóban, a HAT1 szerkezete kötött acetil-CoA-val megerősítette, hogy az A-motívum részt vesz a CoA megkötésében (14), akárcsak az aminoglikozid 3-N-acetiltranszferázzal (15) és a szerotonin N-acetiltranszferázzal (20) végzett szerkezeti munka. A 11. ábrán az acetil-CoA-t modelleztük a GCN5 szerkezetébe, a HAT1-ben elfoglalt helye alapján (13, 14). Az acetil-CoA egy V alakú hasadékban kötődik, amely a 4. és 5. β-szálak között alakul ki. A GNAT család erősen konzervált A motívuma az acetil-CoA pirofoszfát részéhez kötődik. A CoA pantotenát és β-merkaptoetanolamin egységei a β4 mentén orientálódnak és hidrogénkötéssel kapcsolódnak hozzá, így imitálva egy β-szálat.
Trievel és munkatársai (13) a GCN5 katalízisének mechanizmusát javasolják. Azt javasolják, hogy egy glutamátmaradék (Glu-173) úgy helyezkedik el, hogy elvonjon egy protont az acetilálandó lizin NH3+ csoportjától, így a töltés nélküli aminocsoport ezután nukleofil támadást tud végrehajtani az acetil-CoA reaktív tioésztercsoportjának karbonil szénatomján. A 22. ábra a GCN5 (sárga színnel) és a HAT1 (piros színnel) feltételezett aktív-helyi régióinak szuperpozícióját mutatja kötött acetil-CoA-val. Ismét észrevehetjük, hogy a két fehérje szerkezetileg mennyire hasonló ebben a régióban. Trievel és munkatársai javaslata szerint a GCN5 Glu-173-ja, különösen az oldallánc átorientálása után, elég közel lenne a beérkező lizinhez ahhoz, hogy báziskatalízist végezzen. A Glu-173 mutációja Gln-re valóban megszünteti az aktivitást in vivo és in vitro (13). A HAT1-ben a megfelelő pozícióban nincs Glu- vagy Asp-maradék. Megjegyezzük azonban, hogy a HAT1 Glu-255-je vagy Asp-256-a a hasadék szomszédos β-szálán úgy helyezkedik el, hogy ugyanezt a katalitikus funkciót tölthetnék be (2. ábra).2). Ezeket a maradékokat még nem mutálták.
A GCN5 β4-α3-β5-jének (sárga) és a HAT1 megfelelő régiójának (piros) szuperpozíciója. A fehérjéket Cα-nyomként ábrázoljuk kötött acetil-CoA-val. A GCN5 Glu-173-ja, amelyről feltételezik, hogy részt vesz a katalízisben, gömb és pálcika ábrázolásban látható, akárcsak a HAT1 Glu-255 és Asp-256 maradványai.
A GCN5, a HAT1 és a GNAT szupercsalád két másik tagjának szerkezetéből egyértelmű, hogy van egy konzervált magjuk, beleértve az acetil-CoA kötőhelyét (1. ábra).1). Érdekes módon az N-mirisztoil-transzferáz hasonló szerkezetű, mint a fentebb tárgyalt N-acetiltranszferázok (21, 22), annak ellenére, hogy ez az enzim sokkal nagyobb acilcsoportot visz át a mirisztoil-CoA-ból a szubsztrátfehérjék N-terminálisán lévő glicinek α-aminocsoportjaira. Másrészt a klóramfenikol-acetiltranszferáz, amely egy hidroxilcsoportot acetilál, nem rendelkezik hasonló szerkezettel. Úgy tűnik, hogy a GNAT enzimek, amelyek különböző szubsztrátok aminocsoportjait acetilálják, mind nagyon hasonló módon kötik meg az acetil-CoA-t, és talán hasonló katalitikus mechanizmusuk is van. Természetesen ezek az enzimek különböznek az acetilálandó szubsztrátot megkötő régiókban. Ami a HAT-okat illeti, a következő cél egy olyan szerkezet meghatározása lesz, amelyben az enzimhez egy hiszton vagy peptid szubsztrát kötődik.