Гистонацетилтрансфераза

Гистонацетилтрансфераза (ГАТ, англ. histone acetyltransferase, HAT) — это фермент класса трансфераз, катализирующий перенос ацетильной группы от ацетил-кофермента А (ацетил-КоА) на лизиновые остатки гистоновых белков. Данная реакция является ключевым этапом эпигенетической регуляции экспрессии генов: ацетилирование гистонов снижает их положительный заряд, ослабляет взаимодействие с отрицательно заряженной ДНК и делает хроматин более доступным для факторов транскрипции. ГАТ играют центральную роль в процессах клеточной дифференцировки, пролиферации, репарации ДНК и ответа на стресс. Нарушения активности гистонацетилтрансфераз ассоциированы с развитием онкологических, нейродегенеративных и воспалительных заболеваний.

История открытия

Первые указания на существование ферментативной активности, ацетилирующей гистоны, появились в 1960-х годах. В 1964 году американские биохимики Винсент Оллфри и Альфред Мирский показали, что ацетилирование гистонов коррелирует с активацией транскрипции в клетках тимуса телёнка. Однако выделение и идентификация конкретных ферментов произошли значительно позже.

В 1995 году группа под руководством К. Дэвида Эллиса (США) впервые клонировала и охарактеризовала гистонацетилтрансферазу — белок Gcn5 (general control non-derepressible 5) из дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В 1996 году был открыт первый человеческий гомолог — p300/CBP-ассоциированный фактор (PCAF). К началу 2000-х годов было идентифицировано более 20 различных ГАТ у млекопитающих, разделённых на несколько семейств.

Классификация

Гистонацетилтрансферазы классифицируют по структурным и функциональным признакам, а также по локализации в клетке.

По структуре каталитического домена

Выделяют несколько основных семейств:

• Семейство GNAT (Gcn5-related N-acetyltransferases) — включает Gcn5, PCAF, Elp3, Hat1. Характеризуются наличием консервативного мотива из четырёх α-спиралей.
• Семейство MYST (MOZ, Ybf2/Sas3, Sas2, Tip60) — включает Tip60, MOF, HBO1, MOZ, MORF. Отличаются наличием цинкового пальца и специфического участка связывания ацетил-КоА.
• Семейство p300/CBP — включает белки p300 и CREB-binding protein (CBP). Обладают крупным каталитическим доменом (около 500 аминокислот) и способностью ацетилировать не только гистоны, но и многие другие белки.
• Семейство SRC (steroid receptor coactivators) — включает SRC-1, TIF2, RAC3. Действуют как коактиваторы ядерных рецепторов.

По локализации и функции

• Ядерные ГАТ — большинство известных ферментов, участвуют в регуляции транскрипции, репарации ДНК и репликации.
• Цитоплазматические ГАТ — например, Hat1, ацетилирует вновь синтезированные гистоны перед их транспортом в ядро.

Механизм действия

Гистонацетилтрансферазы катализируют реакцию:

Ацетил-КоА + гистон-лизин → КоА + гистон-Nε-ацетиллизин.

Процесс включает три этапа:

1. Связывание субстратов — фермент образует комплекс с ацетил-КоА и гистоновым белком.
2. Перенос ацетильной группы — остаток лизина гистона депротонируется, что облегчает нуклеофильную атаку на тиоэфирную связь ацетил-КоА.
3. Высвобождение продуктов — ацетилированный гистон и свободный кофермент А покидают активный центр.

Специфичность ГАТ определяется их способностью распознавать определённые остатки лизина на N-концевых хвостах гистонов (например, H3K9, H3K14, H4K5, H4K12). Некоторые ГАТ (p300/CBP) обладают широкой субстратной специфичностью, тогда как другие (например, MOF) ацетилируют только один конкретный остаток.

Роль в регуляции экспрессии генов

Ацетилирование гистонов является динамическим и обратимым процессом, который контролируется антагонистическими ферментами — гистонацетилтрансферазами и гистондеацетилазами (HDAC). Ацетилирование нейтрализует положительный заряд лизинов, что ослабляет электростатическое взаимодействие между гистонами и ДНК. Это приводит к:

• Деконденсации хроматина — образование эухроматина, доступного для транскрипционного аппарата.
• Рекрутированию факторов транскрипции — ацетилированные гистоны служат сайтами связывания для белков, содержащих бромодомены (например, BRD4, TAF1).
• Модификации активности гистоновых шаперонов — влияет на сборку и разборку нуклеосом.

ГАТ также ацетилируют негистоновые белки, включая факторы транскрипции (p53, NF-κB, STAT3), ядерные рецепторы и репарационные белки, что расширяет их регуляторные функции.

Физиологические функции

Клеточный цикл и пролиферация

ГАТ, такие как Tip60 и HBO1, необходимы для прохождения клеточного цикла. Tip60 участвует в активации контрольных точек при повреждении ДНК, а HBO1 — в репликации ДНК через ацетилирование H4K5/H4K12.

Дифференцировка клеток

p300/CBP играют ключевую роль в эмбриональном развитии, активируя гены, необходимые для дифференцировки различных тканей. Мутации в генах EP300 и CREBBP вызывают синдром Рубинштейна — Тейби (характеризуется умственной отсталостью, аномалиями лица и сердца).

Иммунный ответ

ГАТ регулируют экспрессию генов цитокинов и хемокинов. Например, PCAF и Gcn5 участвуют в активации NF-κB-зависимых генов при воспалении.

Репарация ДНК

Tip60 и MOF ацетилируют гистоны в местах двуцепочечных разрывов ДНК, способствуя рекрутированию репарационных комплексов (например, ATM-киназы).

Патологии, связанные с нарушениями ГАТ

Онкологические заболевания

Мутации и амплификации генов ГАТ часто встречаются при раке:

• p300/CBP — инактивирующие мутации обнаружены при раке молочной железы, лёгких, колоректальном раке и лейкозах. При этом p300 может выступать как онкосупрессор.
• MOZ и MORF — хромосомные транслокации, затрагивающие эти гены, вызывают острый миелоидный лейкоз.
• Tip60 — снижение экспрессии наблюдается при раке предстательной железы и молочной железы.

Нейродегенеративные заболевания

Нарушение баланса ацетилирования/деацетилирования связано с болезнью Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона. При болезни Хантингтона снижается активность CBP, что приводит к гибели нейронов.

Воспалительные и аутоиммунные заболевания

Гиперактивация ГАТ (например, p300) может способствовать хроническому воспалению при ревматоидном артрите и астме.

Ингибиторы гистонацетилтрансфераз

Разработка ингибиторов ГАТ — перспективное направление для терапии рака и воспалительных заболеваний. Известные ингибиторы включают:

• Куркумин — природный полифенол, ингибирует p300/CBP (IC50 ~25 мкМ).
• Анакардовая кислота — ингибитор p300 и PCAF.
• Гарцинол — ингибитор p300/CBP (IC50 ~5 мкМ).
• Синтетические соединения — C646 (селективный ингибитор p300), MG149 (ингибитор Tip60 и MOF).

Большинство ингибиторов ГАТ находятся на стадии доклинических исследований. Их клиническое применение ограничено низкой селективностью и токсичностью.

Методы исследования

Для изучения активности ГАТ используются:

• Ферментативные тесты in vitro — с использованием радиоактивно меченного ацетил-КоА (3H-ацетил-КоА) или флуоресцентных субстратов.
• Хроматин-иммунопреципитация (ChIP) — выявление участков генома, ацетилированных конкретными ГАТ.
• Масс-спектрометрия — идентификация сайтов ацетилирования на гистонах и негистоновых белках.
• Клеточные модели — нокаутные и нокдаунные линии клеток (CRISPR/Cas9, siRNA).

Интересные факты

• ГАТ составляют лишь около 0,1% всех клеточных белков, но их активность регулирует экспрессию тысяч генов.
• Белок p300 был открыт как белок, связывающийся с аденовирусным онкопротеином E1A, что подчеркивает его роль в клеточном цикле.
• Некоторые вирусы (например, ВИЧ, вирус папилломы человека) используют ГАТ для активации собственных генов в клетке-хозяине.
• У растений ГАТ участвуют в регуляции цветения и ответа на стрессовые факторы.

Источники

• Allfrey V.G., Mirsky A.E. (1964). "Acetylation and methylation of histones and their possible role in the regulation of RNA synthesis". Proceedings of the National Academy of Sciences.
• Brownell J.E. et al. (1996). "Tetrahymena histone acetyltransferase A: a homolog to yeast Gcn5p linking histone acetylation to gene activation". Cell.
• Ogryzko V.V. et al. (1996). "The transcriptional coactivators p300 and CBP are histone acetyltransferases". Cell.
• Marmorstein R., Roth S.Y. (2001). "Histone acetyltransferases: function, structure, and catalysis". Current Opinion in Genetics & Development.
• Yang X.J., Seto E. (2007). "HATs and HDACs: from structure, function and regulation to novel strategies for therapy and prevention". Oncogene.
• Dekker F.J., Haisma H.J. (2009). "Histone acetyl transferases as emerging drug targets". Drug Discovery Today.
• Farria A.T. et al. (2015). "Transcriptional regulation by the p300/CBP acetyltransferases". Biochimica et Biophysica Acta.