Гистондеацетилаза

Гистондеацетилаза (ГДА, HDAC) — это фермент, катализирующий удаление ацетильной группы от ε-аминогруппы остатков лизина в гистоновых и негистоновых белках. Относится к классу гидролаз, действующих на углерод-азотные связи в пептидах. Вместе с гистонацетилтрансферазами (HAT) регулирует уровень ацетилирования белков, что является ключевым механизмом эпигенетической регуляции экспрессии генов, структуры хроматина и клеточных процессов. У человека известно 18 изоформ ГДА, разделённых на четыре класса по гомологии с дрожжевыми ортологами, механизму действия и клеточной локализации.

История открытия

Первые данные о деацетилировании гистонов были получены в 1960-х годах, когда Винсент Алфри и его коллеги обнаружили, что ацетилирование гистонов коррелирует с транскрипционной активностью хроматина. Однако сам фермент гистондеацетилаза был впервые очищен и охарактеризован в 1996 году группой Стюарта Шрайбера из Университета Рокфеллера. Исследователи выделили белок из клеток млекопитающих, используя ингибитор трапоксин (TSA), и показали его гомологию с дрожжевым белком Rpd3. В 1997 году была клонирована первая человеческая гистондеацетилаза HDAC1, что открыло путь к изучению роли этих ферментов в регуляции генома. В последующие годы были идентифицированы другие члены семейства, а также обнаружена их связь с развитием рака и нейродегенеративных заболеваний.

Классификация

Гистондеацетилазы делятся на четыре класса на основе гомологии с дрожжевыми белками, структуры каталитического домена и зависимости от кофакторов.

Класс I (HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8)

Ферменты этого класса гомологичны дрожжевому Rpd3. Они экспрессируются практически во всех тканях, локализуются преимущественно в ядре и обладают высокой деацетилазной активностью в отношении гистонов. HDAC1 и HDAC2 часто образуют мультибелковые комплексы (например, NuRD, Sin3, CoREST), которые направляют их к специфическим участкам хроматина. HDAC3 может находиться как в ядре, так и в цитоплазме, а HDAC8 является наименее изученным представителем класса.

Класс II

Подразделяется на два подкласса: IIa (HDAC4, HDAC5, HDAC7, HDAC9) и IIb (HDAC6, HDAC10). Ферменты класса II гомологичны дрожжевому Hda1. Они обладают тканеспецифичной экспрессией (например, HDAC4 и HDAC5 высоко представлены в мозге, сердце и скелетных мышцах) и могут перемещаться между ядром и цитоплазмой в ответ на сигналы. HDAC6 уникален тем, что содержит два каталитических домена и деацетилирует преимущественно цитоплазматические белки, такие как тубулин и кортактин. HDAC10 имеет один каталитический домен и менее изучен.

Класс III (сиртуины, SIRT1–SIRT7)

Гомологи дрожжевого Sir2. В отличие от классов I и II, сиртуины требуют для своей активности NAD⁺ (никотинамидадениндинуклеотид) в качестве кофактора. Они участвуют в регуляции метаболизма, старения, стрессоустойчивости и клеточного цикла. Сиртуины локализуются в разных компартментах: SIRT1, SIRT6, SIRT7 — в ядре; SIRT2 — в цитоплазме; SIRT3, SIRT4, SIRT5 — в митохондриях.

Класс IV (HDAC11)

Единственный представитель, гомологичный как классу I, так и классу II. HDAC11 экспрессируется в некоторых тканях (мозг, яички, иммунные клетки) и участвует в регуляции иммунного ответа и клеточной пролиферации.

Механизм действия

Гистондеацетилазы катализируют гидролиз ацетильной группы с ацетилированного лизина, что приводит к восстановлению положительного заряда ε-аминогруппы. В гистонах это усиливает электростатическое взаимодействие между гистонами и отрицательно заряженным остовом ДНК, способствуя компактизации хроматина и снижению транскрипционной активности генов. Однако ГДА деацетилируют не только гистоны, но и множество негистоновых белков, включая транскрипционные факторы (p53, NF-κB, STAT3), шапероны (Hsp90), структурные белки (тубулин) и ферменты репарации ДНК. Таким образом, ГДА влияют на широкий спектр клеточных процессов: пролиферацию, дифференцировку, апоптоз, ангиогенез, метаболизм и иммунный ответ.

Ингибиторы гистондеацетилаз

Ингибиторы ГДА (ГДАИ) — это класс соединений, блокирующих активность ферментов. Они делятся на несколько групп по химической структуре:

• Гидроксамовые кислоты (например, вориностат, SAHA) — ингибируют классы I, II и IV.
• Циклические пептиды (например, ромидепсин) — селективны к классу I.
• Бензамиды (например, энтиностат, мокетиностат) — обладают избирательностью к некоторым изоформам.
• Короткоцепочечные жирные кислоты (например, вальпроевая кислота, бутират натрия) — слабые ингибиторы классов I и IIa.

Некоторые ингибиторы ГДА одобрены для медицинского применения. Вориностат (Zolinza) и ромидепсин (Istodax) используются для лечения кожной T-клеточной лимфомы. Панобиностат (Farydak) применяется при множественной миеломе. В России вальпроевая кислота (препараты для лечения эпилепсии) также проявляет свойства ингибитора ГДА. Исследуются комбинации ГДАИ с другими противоопухолевыми препаратами, а также их потенциал в терапии нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона) и воспалительных процессов.

Роль в патологии

Дисрегуляция активности ГДА связана с развитием многих заболеваний. При раке часто наблюдается гиперэкспрессия HDAC1, HDAC2, HDAC3 и HDAC6, что способствует подавлению генов-супрессоров опухолей и активации онкогенных путей. Например, HDAC1 участвует в репрессии гена p21, а HDAC6 деацетилирует тубулин, усиливая миграцию раковых клеток. При нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, снижение активности сиртуинов (класс III) связано с накоплением амилоидных бляшек и тау-белка. Воспалительные заболевания (ревматоидный артрит, астма) сопровождаются изменением экспрессии HDAC2 и HDAC3, что влияет на продукцию цитокинов. Также ГДА вовлечены в развитие вирусных инфекций — некоторые вирусы (например, вирус Эпштейна — Барр) используют клеточные ГДА для подавления иммунного ответа.

Применение в исследованиях

Гистондеацетилазы являются важными мишенями для эпигенетической терапии. В лабораторных условиях ингибиторы ГДА используются для изучения роли ацетилирования в регуляции генов, клеточного цикла и дифференцировки. Например, обработка клеток трихостатином A (TSA) позволяет выявить гены, репрессированные за счёт деацетилирования. ГДАИ также применяются в эпигенетическом редактировании — для временного открытия хроматина перед введением нуклеаз (CRISPR/Cas9). Кроме того, анализ экспрессии и активности ГДА используется в диагностике рака и прогнозировании ответа на терапию.

Интересные факты

• Некоторые бактерии и грибы продуцируют ингибиторы ГДА в качестве защитных механизмов. Например, трихостатин A был выделен из гриба Streptomyces hygroscopicus.
• Сиртуины (класс III) участвуют в регуляции продолжительности жизни у дрожжей, червей и мух, что делает их объектом исследований в геронтологии.
• Вальпроевая кислота, используемая как противосудорожное средство, была открыта как ингибитор ГДА случайно в 1970-х годах.
• HDAC6 — единственная изоформа, которая деацетилирует α-тубулин, что влияет на стабильность микротрубочек и подвижность клеток.

Источники

• Алфри В. Г., Литтау В. К. (1966). «Химическая модификация гистонов и регуляция синтеза РНК». Nature.
• Таверна С. Д., Шрайбер С. Л. (1996). «Очистка и характеристика гистондеацетилазы млекопитающих». Journal of Biological Chemistry.
• Ян Х. Дж., Сетто Э. (2008). «Семейство гистондеацетилаз: структура, функция и терапевтические перспективы». Nature Reviews Molecular Cell Biology.
• Хаббел Дж. К., Гроцингер С. М. (2015). «Ингибиторы гистондеацетилаз в клинической практике». Clinical Cancer Research.
• Барнс П. Дж., Адкок И. М. (2016). «Гистондеацетилазы и воспаление». Trends in Pharmacological Sciences.