Histonien tärkeä posttranslationaalinen modifikaatio on ɛ-aminoryhmien asetylaatio konservoiduissa lysiinijäännöksissä, jotka sijaitsevat näiden proteiinien aminoterminaalisissa hännissä. Asetylaatio neutraloi positiivisesti varautuneita lysiinejä ja vaikuttaa siten histonien vuorovaikutukseen muiden proteiinien ja/tai DNA:n kanssa. Histonien asetylaatio on jo pitkään yhdistetty transkriptiivisesti aktiiviseen kromatiiniin, ja sen on myös katsottu vaikuttavan histonien laskeutumiseen DNA:n replikaation aikana (1, 2). Histoniasetyylitransferaasin (HAT) geenin, hiivan HAT1-geenin, ensimmäinen kloonaus raportoitiin vuonna 1995 (3). Myöhemmin ehdotettiin, että HAT1-proteiini on sytoplasminen ja osallistuu histonien laskeutumiseen (4), vaikka hiivan HAT1-mutanttien fenotyyppien puuttuminen sekä viimeaikaiset todisteet siitä, että sekä ihmisen että hiivan entsyymit ovat nukleaarisia (viite 5; S. Tafrov ja R.S., julkaisematon työ), tekee HAT1:n in vivo -toiminnasta epäselvää.
Merkittävä läpimurto tällä alalla oli HAT A:n, HAT:n, puhdistaminen ja kloonaus Tetrahymena-siliaatin makrotumakkeesta (6). HAT A:n sekvenssi osoitti, että se oli samankaltainen kuin tunnettu hiivan transkriptionaalinen koaktivaattori GCN5. Sittemmin lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että GCN5 (ja siihen liittyvä P/CAF) ovat konservoituneita HATeja, joiden aktiivisuus nukleosomeissa helpottaa transkription käynnistymistä (ks. viite 7). Mielenkiintoista on, että GCN5 itsessään voi asetyloida vapaita histoneja (erityisesti H3:n Lys-14:ää) mutta ei nukleosomeja. GCN5:n suorittama nukleosomien asetylointi edellyttää, että se on jommassakummassa kahdesta suuresta proteiinikompleksista nimeltään Ada ja SAGA hiivassa (8). Viime vuosina on osoitettu, että useilla nisäkkäiden proteiineilla, jotka eivät liity GCN5:een mutta jotka myös osallistuvat transkription aktivointiin, on HAT-aktiivisuutta. Näihin kuuluvat CBP/p300, TAF250, ACTR ja SRC-1 (9-12). Näin ollen on käymässä selväksi, että nukleosomien histoniasetylaatio on merkittävä osa monivaiheista geenien aktivaatioprosessia.
Tässä Proceedings-lehden numerossa Trievel ym. (13) raportoivat hiivan GCN5:n katalyyttisen HAT-domeenin kiderakenteen. Tämä domeeni käsittää 439-aa:n proteiinin jäännökset 99-262. Osa niiden rakenteesta, joka koostuu neljästä antiparalleelisesta β-säikeestä (β1-4), joita seuraa α-kierre (α3) ja toinen β-säie (β5), on esitetty kuvassa 1.1.1. Tämä GCN5:n osa on rakenteeltaan hyvin samankaltainen kuin hiivan HAT1:n (14) sekä kahden muun N-asetyltransferaasin, joiden substraatit eivät ole histoneja, nimittäin aminoglykosidi-3-N-asetyltransferaasin (AAT; viite 15) ja serotoniini-N-asetyltransferaasin (16). Kaikki nämä entsyymit kuuluvat proteiiniperheeseen, joka on tunnistettu sekvenssianalyysin perusteella proteiineiksi, joilla on samankaltaisuutta tunnettujen N-asetyltransferaasien, kuten GCN5:n, kanssa, ja jota kutsutaan GNAT-superperheeksi (17). Tämän superperheen jäsenille on yhteistä se, että ne siirtävät asetyyliryhmän asetyyli-CoA:sta primaariseen aminoryhmään, vaikkakin eri entsyymeillä on hyvin erilaisia aminoryhmiä; ts, HAT:ien tapauksessa lysiinien ɛ-aminoryhmiin, ARD1:n tai MAK3:n kaltaisten entsyymien tapauksessa proteiinien N-termiinien α-aminoryhmiin, AAT:n (15) ja GNA1:n (18, 19) tapauksessa sokereihin tai serotoniinin tapauksessa serotoniinin N- asetyylitransferaasin (16) tapauksessa serotoniiniin. Kaikilla GNAT-superperheen jäsenillä on konservoitunut motiivi, jota kutsutaan motiiviksi A (esitetty punaisella kuvassa 1),1), ja useimmilla niistä on kaksi muuta konservoitunutta motiivia, joita kutsutaan motiiveiksi B ja D.
GCN5:n nauhakaavio, jossa näkyy konservoitunut ydin, joka on löydettävissä neljästä N- asetyylitransferaasista ja yhdestä N- myristo-yylitransferaasista. GNAT-superperheen motiivi A on esitetty punaisella. GCN5:n rakenteeseen on mallinnettu HAT1:ssä esiintyvä asetyyli-CoA. Asetyyli-CoA:n sisältämä rikki on esitetty keltaisella.
Ennustettiin, että GNAT-superperheen konservoidut motiivit osallistuisivat asetyyli-CoA:n sitoutumiseen, koska se on ainoa yhteinen substraatti näille erilaisille N-asetyltransferaaseille (17). HAT1:n rakenne sidotun asetyyli-CoA:n kanssa vahvisti, että motiivi A osallistuu CoA:n sitomiseen (14), samoin kuin aminoglykosidi-3-N-asetyylitransferaasia (15) ja serotoniini-N-asetyylitransferaasia (20) koskevat rakenteelliset tutkimukset. Kuvassa Kuva 11 asetyyli-CoA on mallinnettu GCN5-rakenteeseen sen sijainnin perusteella HAT1:ssä (13, 14). Asetyyli-CoA on sitoutunut V:n muotoiseen rakoon, joka muodostuu β-säikeiden 4 ja 5 väliin. GNAT-perheen erittäin konservoitunut motiivi A sitoutuu asetyyli-CoA:n pyrofosfaattiosaan. CoA:n pantotenaatti- ja β-merkaptoetanoliamiiniyksiköt ovat suuntautuneet β4:ää pitkin ja vetysidoksissa siihen, mikä jäljittelee β-säiettä.
Trievel et al. (13) ehdottavat mekanismia GCN5:n katalyysille. He ehdottavat, että glutamaattijäännös (Glu-173) on sijoitettu siten, että se abstrahoi protonin asetyloidun lysiinin NH3+-ryhmästä, jolloin varaukseton aminoryhmä voi tehdä nukleofiilisen hyökkäyksen asetyyli-CoA:n reaktiivisen tioesteriryhmän karbonyylihiileen. Kuvassa 22 esitetään GCN5:n (keltaisella) ja HAT1:n (punaisella) oletettujen aktiivisen alueen alueiden päällekkäisyys sidotun asetyyli-CoA:n kanssa. Huomataan jälleen, kuinka samankaltaisia nämä kaksi proteiinia ovat rakenteellisesti tällä alueella. Trievelin ym. ehdotuksen mukaan GCN5:n Glu-173, erityisesti sen sivuketjun uudelleen suuntaamisen jälkeen, olisi riittävän lähellä saapuvaa lysiiniä, jotta se voisi suorittaa emäskatalyysin. Glu-173:n mutaatio Gln:ksi todellakin poistaa aktiivisuuden in vivo ja in vitro (13). HAT1:ssä ei ole vastaavassa kohdassa Glu- tai Asp-jäännöstä. Huomaamme kuitenkin, että HAT1:n Glu-255 tai Asp-256 viereisellä β-säikeellä sijaitsevat niin, että ne voisivat suorittaa saman katalyyttisen tehtävän (kuva (kuva 2).2). Näitä jäännöksiä ei ole vielä mutatoitu.
GCN5:n β4-α3-β5:n (keltainen) ja HAT1:n vastaavan alueen (punainen) päällekkäisyys. Proteiinit on esitetty Cα-jäljitelminä, joihin on sitoutunut asetyyli-CoA. GCN5:n Glu-173, jonka uskotaan osallistuvan katalyysiin, on esitetty pallo- ja sauvaesityksessä, samoin kuin HAT1:n Glu-255- ja Asp-256-jäännökset.
GCN5:n, HAT1:n ja kahden muun GNAT-superperheen jäsenen rakenteista käy selvästi ilmi, että näillä proteiineilla on yhteisesti konservoitunut ydin, mukaan lukien asetyyli-CoA:n sidontakohta (kuvio (Kuva (Kuvio 1).1). Mielenkiintoista on, että N-myristoyylitransferaasilla on samanlainen rakenne kuin edellä käsitellyillä N-asetyylitransferaaseilla (21, 22), vaikka tämä entsyymi siirtää paljon suuremman asyyliryhmän myristoyylikoA:sta glysiinien α-aminoryhmiin substraattiproteiinien N-terminaaleissa. Toisaalta kloramfenikoliasetyltransferaasilla, joka asetyloi hydroksyyliryhmän, ei ole samanlaista rakennetta. Näyttää siltä, että GNAT-entsyymit, jotka asetyloivat monien eri substraattien aminoryhmiä, sitoutuvat kaikki asetyylikoA:han hyvin samankaltaisella tavalla, ja ehkä niillä on samanlainen katalyyttinen mekanismi. Nämä entsyymit eroavat tietysti toisistaan niiden alueiden osalta, jotka sitovat asetyloitavaa substraattia. HAT:ien osalta seuraava tavoite on määrittää rakenne, jossa entsyymiin on sitoutunut histoni- tai peptidisubstraatti.