Ważną modyfikacją potranslacyjną histonów jest acetylacja grup ɛ-aminowych na konserwowanych resztach lizynowych obecnych w aminokońcowych ogonach tych białek. Acetylacja neutralizuje dodatnio naładowane lizyny i w ten sposób wpływa na oddziaływania histonów z innymi białkami i/lub z DNA. Acetylacja histonów od dawna związana jest z aktywną transkrypcyjnie chromatyną, a także z odkładaniem się histonów podczas replikacji DNA (1, 2). Pierwsze sklonowanie genu acetylotransferazy histonowej (HAT), drożdżowego genu HAT1, opisano w 1995 r. (3). Następnie zasugerowano, że białko HAT1 jest cytoplazmatyczne i zaangażowane w odkładanie histonów (4), chociaż brak fenotypów drożdżowych mutantów hat1, jak również ostatnie dowody, że zarówno enzym ludzki jak i drożdżowy są jądrowe (ref. 5; S. Tafrov i R.S., Niepublikowana praca), czyni funkcję in vivo HAT1 niejasną.
Poważnym przełomem w tej dziedzinie było oczyszczenie i sklonowanie HAT A, HAT z makrojądra rzęsistka Tetrahymena (6). Sekwencja HAT A wykazała, że jest on podobny do znanego drożdżowego koaktywatora transkrypcji, GCN5. Od tego czasu liczne badania wykazały, że GCN5 (i pokrewny P/CAF) są konserwatywnymi HAT, których aktywność na nukleosomach ułatwia inicjację transkrypcji (przegląd w pracy 7). Co ciekawe, GCN5 sam może acetylować wolne histony (szczególnie Lys-14 z H3), ale nie nukleosomy. Acetylacja nukleosomów przez GCN5 wymaga, aby znajdował się on w jednym z dwóch dużych kompleksów białkowych zwanych w drożdżach Ada i SAGA (8). W ciągu ostatnich kilku lat wykazano, że kilka białek ssaków, niezwiązanych z GCN5, ale również zaangażowanych w aktywację transkrypcji, posiada aktywność HAT. Należą do nich CBP/p300, TAF250, ACTR i SRC-1 (9-12). Tak więc staje się jasne, że acetylacja histonów w nukleosomach jest istotnym elementem wieloetapowego procesu aktywacji genów.
W tym numerze Proceedings, Trievel i wsp. (13) podają strukturę krystaliczną katalitycznej domeny HAT drożdżowego GCN5. Domena ta obejmuje reszty 99-262 białka o masie 439 aa. Fragment ich struktury, składający się z czterech antyrównoległych β-strandów (β1-4), następnie α-helisy (α3) i kolejnego β-strandu (β5), przedstawiony jest na Rys. 1.1. Ta część GCN5 jest bardzo podobna w budowie do drożdżowej HAT1 (14), jak również do dwóch innych N-acetylotransferaz, których substratami nie są histony, a mianowicie do 3-N-acetylotransferazy aminoglikozydowej (AAT; ref. 15) i N-acetylotransferazy serotoninowej (16). Wszystkie te enzymy są członkami rodziny białek zidentyfikowanych na podstawie analizy sekwencji jako te, które wykazują podobieństwo do znanych N-acetylotransferaz, takich jak GCN5, i stąd nazwanych nadrodziną GNAT (17). Członkowie tej nadrodziny mają wspólną cechę, że przenoszą grupę acetylową z acetylo-CoA na pierwszorzędową grupę aminową, aczkolwiek są to bardzo różne grupy aminowe dla różnych enzymów, tj, na grupy ɛ-aminowe na lizynach w przypadku HATs, na grupy α-aminowe na N-końcach białek w przypadku enzymów takich jak ARD1 lub MAK3, na cukry w przypadku AAT (15) i GNA1 (18, 19) lub na serotoninę w przypadku N-acetylotransferazy serotoninowej (16). Wszyscy członkowie nadrodziny GNAT posiadają konserwowany motyw zwany motywem A (przedstawiony na czerwono na Rys. Rys.1),1), a większość z nich posiada dwa inne konserwowane motywy zwane B i D.
Schemat prążkowy GCN5 pokazujący konserwowany rdzeń występujący w czterech N-acetylotransferazach i w N-myristoilotransferazie. Motyw A z nadrodziny GNAT jest pokazany na czerwono. Acetyl CoA obecny w HAT1 jest modelowany w strukturze GCN5. Siarka w acetylo-CoA jest pokazana na żółto.
Przewidywano, że konserwowane motywy w nadrodzinie GNAT będą zaangażowane w wiązanie acetylo-CoA, ponieważ jest to jedyny substrat, który te różnorodne N-acetylotransferazy mają wspólny (17). Rzeczywiście, struktura HAT1 ze związanym acetylo-CoA potwierdziła, że motyw A jest zaangażowany w wiązanie CoA (14), podobnie jak prace strukturalne z 3-N-acetylotransferazą aminoglikozydową (15) i N-acetylotransferazą serotoninową (20). Na Rys.11 acetyl CoA został zamodelowany w strukturze GCN5, na podstawie jego pozycji w HAT1 (13, 14). Acetylo-CoA jest związany w szczelinie w kształcie litery V, utworzonej pomiędzy pasmami β 4 i 5. Wysoce konserwowany motyw A z rodziny GNAT wiąże się z cząsteczką pirofosforanową acetylo-CoA. Jednostki pantotenianowe i β-merkaptoetanoloaminowe CoA są zorientowane wzdłuż β4 i połączone z nim wiązaniami wodorowymi, naśladując w ten sposób pasmo β.
Trievel i wsp. (13) proponują mechanizm katalizy przez GCN5. Sugerują oni, że reszta glutaminianowa (Glu-173) jest pozycjonowana w celu abstrakcji protonu z grupy NH3+ na lizynie, która ma być acetylowana, tak że nienaładowana grupa aminowa może następnie wykonać atak nukleofilowy na węgiel karbonylowy reaktywnej grupy tioestrowej acetylo-CoA. Rys. 22 przedstawia superpozycję przypuszczalnych regionów miejsca aktywnego GCN5 (na żółto) i HAT1 (na czerwono) ze związanym acetylo-CoA. Ponownie można zauważyć, jak strukturalnie podobne są te dwa białka w tym regionie. Zgodnie z propozycją Trievela i wsp., Glu-173 z GCN5, szczególnie po reorientacji jego łańcucha bocznego, byłby wystarczająco blisko przychodzącej lizyny, aby przeprowadzić katalizę zasadową. Rzeczywiście, mutacja Glu-173 na Gln znosi aktywność in vivo i in vitro (13). W HAT1 nie ma reszt Glu lub Asp w odpowiadającej im pozycji. Zauważamy jednak, że Glu-255 lub Asp-256 HAT1 na sąsiedniej nici β szczeliny są tak usytuowane, że mogłyby pełnić tę samą funkcję katalityczną (Rys. (Rys.2).2). Te reszty nie zostały jeszcze zmutowane.
Superpozycja β4-α3-β5 z GCN5 (żółty) i odpowiadającego mu regionu z HAT1 (czerwony). Białka reprezentowane są jako ślady Cα ze związanym acetylo-CoA. Glu-173 z GCN5, uważany za zaangażowany w katalizę, jest pokazany w reprezentacji kulistej, podobnie jak reszty Glu-255 i Asp-256 z HAT1.
Z struktur GCN5, HAT1 i dwóch innych członków nadrodziny GNAT jasno wynika, że mają one wspólny konserwowany rdzeń, w tym miejsce wiązania acetylo-CoA (Rys. (Rys.1).1). Co ciekawe, N-myristoylotransferaza ma podobną strukturę do omówionych powyżej N-acetylotransferaz (21, 22), mimo że enzym ten przenosi znacznie większą grupę acylową z mirystoilu CoA na grupy α-aminowe glicyn na N-końcach białek substratowych. Z drugiej strony, acetylotransferaza chloramfenikolu, która acetyluje grupę hydroksylową, nie ma podobnej struktury. Wydaje się, że wszystkie enzymy GNAT, które acetylują grupy aminowe na różnorodnych substratach, wiążą acetylo-CoA w bardzo podobny sposób i być może mają podobny mechanizm katalityczny. Oczywiście, enzymy te będą się różnić regionami, które wiążą substrat, który ma być acetylowany. Jeśli chodzi o HAT, następnym celem będzie określenie struktury z substratem histonowym lub peptydowym związanym z enzymem.