Histonska acetilacija i deacetilacija

[right|thumb|330px|[Kristalna struktura jezgarne čestice nukleosoma koja se sastoji od H2A, H2B, H3 i  H4 jezgro histona i DNK. Pogled je odozgo kroz superheliksnu osu.]]
**Acetilacija i deacetilacija histona** su procesi kojima lizinski ostaci unutar N-terminala repa koji vire iz histonskog jezgra nukleosoma su acetilirani i deacetilirani kao dio regulacija ekspresije gena.
Acetilacija i deacetilacija histona su suštinski delovi regulacije gena. Ove reakcije obično kataliziraju enzimi s aktivnošću "histon-acetiltransferaza" (HAT) ili "histon-deacetilaza" (HDAC). Acetilacija je proces u kojem se acetilna funkcionalna grupa prenosi sa jedne molekule (u ovom slučaju, acetil-koenzim A) na drugi. Deacetilacija je jednostavno obrnuta reakcija u kojoj se acetilna grupa uklanja iz molekule.

Acetilirani histoni, oktamerni proteini koji organiziraju hromatin u nukleosomu, osnovnu strukturnu jedinicu hromosoma i na kraju strukture višeg reda, predstavljaju tip epigenetičkog markera unutar hromatina . Acetilacijom se uklanja pozitivni naboj na histonima, čime se smanjuje interakcija N-krajeva histona sa negativno nabijenim fosfatnim grupama DNK. Kao posljedica toga, kondenzovani hromatin se transformiše u opušteniju strukturu koja je povezana sa višim nivoima genske transkripcije. Ova relaksacija se može preokrenuti deacetilacijom koju katalizira aktivnost HDAC-a. Opuštena, transkripcijski aktivna DNK naziva se euhromatin. Više kondenzovana (čvrsto zbijena) DNK naziva se heterohromatin. Kondenzacija se može dovesti do procesa uključujući deacetilaciju i metilaciju.

## Mehanizam djelovanja
[thumb| Histonski repovi i njihova funkcija u formiranju [hromatina]]

Nukleosomi su dijelovi dvolančane DNK (dsDNA) koji su omotani oko proteinskih kompleksa koji se nazivaju histonska jezgra. Ova histonska jezgra se sastoje od po 8 podjedinica, po dvije histona H2A, H2B, H3 i H4. Ovaj proteinski kompleks formira cilindrični oblik koji dsDNK obavija sa otprilike 147 parova baza. Nukleosomi se formiraju kao početni korak za zbijanje DNK koje također doprinosi strukturnoj podršci, kao i funkcionalnoj ulozi. Ovim funkcionalnim ulogama doprinose repovi histonskih podjedinica. Histonski repovi se umeću u manje žljebove DNK i protežu se kroz dvostruki heliks, što ih ostavlja otvorenim za modifikacije uključene u transkripcijsku aktivaciju. Acetilacija je usko povezana s povećanjem aktivacije transkripcije, dok je deacetilacija povezana sa deaktivacijom transkripcije. Ove reakcije se javljaju nakon prijevoda i reverzibilne su.

Acetilacija ima učinak promjene ukupnog naboja histonskog repa iz pozitivnog u neutralan. Formiranje nukleosoma zavisi od pozitivnih naboja histona H4 i negativnog naboja na površini H2A domenskog nabora histona. Acetilacija histonskih repova narušava ovu povezanost, što dovodi do slabijeg vezivanja nukleosomskih komponenti. Na taj način DNK je pristupačnija i dovodi do toga da više transkripcijskih faktora može doći do DNK. Stoga je poznato da acetilacija histona povećava ekspresiju gena  aktivacijom transkripcije. Deacetilacija koju vrše molekule HDAC ima suprotan efekat. Deacetilacijom histonskih repova, DNK postaje čvršće omotana oko histonskih jezgara, što otežava faktorima transkripcije da se vežu za DNK. To dovodi do smanjenog nivoa ekspresije gena i poznato je kao utišavanje gena.

Acetilirani histoni, oktomerna proteinska jezgra nukleosoma, predstavljaju tip epigenetičkog markera unutar hromatina. Studije su pokazale da jedna modifikacija ima tendenciju da utiče na to da li će se izvršiti druga modifikacija. Modifikacije histona ne mogu samo uzrokovati sekundarne strukturne promjene na njihovim specifičnim mjestima, već mogu uzrokovati mnoge strukturne promjene na udaljenim lokacijama, što neizbježno utiče na funkciju. Kako se hromosom replicira, modifikacije koje postoje na roditeljskim hromosomima prenose se na ćerke hromosome. Modifikacije, kao dio svoje funkcije, mogu angažirati enzime za njihovu određenu funkciju i mogu doprinijeti nastavku modifikacija i njihovim efektima nakon što se dogodi replikacija. Neke od do sada identifikovanih većih porodica su sledeće.

#### Porodica GNAT 
N-acetiltransferaze (GNAT) koje se odnose na N-acetiltransferaze opće kontrole 5 (Gcn5) jedna je od mnogih proučavanih porodica sa sposobnošću acetilacije. Ova natporodica uključuje faktor Gcn5 koji je uključen u komplekse SAGA, SLIK, STAGA, ADA i A2, Gcn5L, p300/CREB-vezujući protein povezan faktor (PCAF), Elp3 , HPA2 i HAT1. Glavne karakteristike porodice GNAT uključuju HAT domene dužine približno 160 ostataka i konzervirani bromodomen za koji je utvrđeno da je motiv ciljanja acetil-lizina. HAT domeni za ovu familiju su otprilike 250 ostataka koji uključuju cisteinom bogate domene koji se vezuju za cink, kao i N-terminalne hromodomene. MYST proteini Esa1, Sas2 i Sas3 nalaze se u kvascu, MOF se nalazi u drozofili i miševima, dok se Tip60, MOZ, MORF i HBO1 nalaze kod ljudi.

### Histon-deacetilaza
Postoje ukupno četiri klase koje kategoriziraju histonske deacetilaze (HDAC). Klasa I uključuje HDAC 1, 2, 3 i 8. Klasa II je podijeljena u dvije podgrupe, klasu IIA i klasu IIB. Klasa IIA uključuje HDAC 4, 5, 7 i 9 dok klasa IIB uključuje HDAC 6 i 10. Klasa III sadrži sirtuin, a klasa IV  samo HDAC11. Kompleksi Sin3 i NuRD sadrže HDAC 1 i 2, Rb-vezani protein 48 (RbAp48) i RbAp46 koji čine jezgro svakog kompleksa. Možda će biti potrebni i drugi kompleksi kako bi se pokrenula maksimalna količina raspoloživih aktivnosti. HDACs 1 i 2 se također mogu direktno vezati za proteine koji se vezuju za DNK kao što su Yin i Yang 1 (YY1), Rb-vezujući protein 1 i Sp1. Utvrđeno je da HDAC 1 i 2 izražavaju regulatorne uloge u ključnim genima ćelijskog ciklusa, uključujući p21.

Na aktivnost ovih HDAC može uticati fosforilacija. Povećana količina fosforilacije (hiperfosforilacija) dovodi do povećane aktivnosti deacetilaze, ali degradira formiranje kompleksa između HDACs 1 i 2 i između HDAC1 i mSin3A/YY1. Niža od normalne količine fosforilacije (hipofosforilacija) dovodi do smanjenja količine aktivnosti deacetilaza, ali povećava količinu formiranja kompleksa. Studije mutacija su otkrile da se velika fosforilacija dešava na ostacima Ser421 i Ser423. Zaista, kada su ovi ostaci mutirani, uočeno je drastično smanjenje u količini deacetilacijske aktivnosti. Ova razlika u stanju fosforilacije je način održavanja optimalnog nivoa fosforilacije kako bi se osiguralo da nema prekomjerne ili deacetilacije pod ekspresijom. HDACs 1 i 2 su pronađeni isključivo u jedru. U HDAC1 nokaut (KO) miševi, nađeno je da miševi umiru tokom embriogeneze i pokazali su drastično smanjenje proizvodnje, ali povećanu ekspresiju inhibitori kinaze zavisni od ciklina (CDKI) p21 i p27. Čak ni podregulacija i nadregulacija drugih HDAC-ova klase I ne može nadoknaditi gubitak HDAC1. Ova nemogućnost oporavka od HDAC1 KO navodi istraživače da vjeruju da postoje i funkcionalna jedinstvenost za svaki HDAC, kao i regulatorni unakrsni razgovor između faktora.

##### HDAC3
Utvrđeno je da je najbliže povezan sa HDAC8. HDAC3 sadrži nekonzerviranu regiju u C-terminalnoj regiji za koju je utvrđeno da je potrebna za transkripcijsku represiju, kao i njegovu deacetilaznu aktivnost. Također sadrži dva regiona, jedan koji se zove jedarno lokalizirani signal (NLS), kao i jedarni eksportni signal (NES). NLS funkcionira kao signal za jedarno djelovanje, dok NES funkcionira s HDAC-ovima koji obavljaju rad izvan jedra. Prisustvo oba signala za HDAC3 sugerira da putuje između jedra i citoplazme. Čak je pronađeno da HDAC3 interagira sa plazmamembranom. Receptori posrednika utišavanja retinoinske kiseline i hormona štitnjače (SMRT) i faktori korepresora jedarnih receptora (N-CoR) moraju biti korišten od strane HDAC3 da bi ga aktivirao. Nakon toga, stiče sposobnost koprecipitacije sa HDAC-ovima 4, 5 i 7. HDAC3 također može biti složen zajedno sa proteinom povezanim s HDAC (HDRP). Utvrđeno je da HDAC 1 i 3 posreduju u Rb-RbAp48 interakcijama što sugerira da funkcionira u progresiji ćelijskog ciklusa. HDAC3 također pokazuje uključenost u samoobnavljanje matičnih ćelija i ulogu nezavisnu od transkripcije u mitozama.

##### HDAC8
Utvrđeno je da je HDAC3 najbliži povezan sa HDAC8. HDAC3 sadrži nekonzerviranu regiju u C-terminalnoj regiji za koju je utvrđeno da je potrebna za transkripcijsku represiju, kao i njegovu deacetilaznu aktivnost. Također sadrži dva regiona, jedan koji se zove jedarno lokalizirana signalna sekvenca (NLS), kao i NES. NLS funkcionira kao signal za jedarno djelovanje, dok NES funkcionira s HDAC-ovima koji obavljaju rad izvan jedra. Prisustvo oba signala za HDAC3 sugerira da putuje između jedra i citoplazme. Čak je pronađeno da HDAC3 interagira sa plazmamembranom. Posrednik utišavanja receptora retinojske kiseline i hormona štitnjače (SMRT)  i faktori  korepresora jedarnih receptora (N-CoR) moraju biti korišteni od strane HDAC3 da bi ga aktivirali. Nakon toga, stiče sposobnost koprecipitacije sa HDAC-ovima 4, 5 i 7. HDAC3 se također može biti složen zajedno sa proteinom povezanim s HDAC (HDRP). Utvrđeno je da HDAC 1 i 3 posreduju u Rb-RbAp48 interakcijama, što sugerira da funkcionira u progresiji ćelijskog ciklusa. HDAC3 također pokazuje uključenost u samoobnavljanje matičnih ćelija i ulogu nezavisnu od transkripcije u mitozi.

##### HDAC8
HDAC8 je najsličniji HDAC3. Njegova glavna karakteristika je katalitski domen koji sadrži NLS regiju u centru. Pronađena su dva transkripta ovog HDAC-a koji uključuju transkript od 2,0 kb i transkript od 2,4 kb. Za razliku od drugih molekula HDAC-a, kada je pročišćen, ovaj HDAC je pokazao da je enzimski aktivan. Sada, zbog nedavnog otkrića, još nije poznato da li je reguliran korepresorskim proteinskim kompleksima. Northern blotom su otkrili da različiti tipovi tkiva pokazuju različite stepene ekspresije HDAC8, ali je uočeno u glatkim mišićima i smatra se da doprinose kontraktilnosti.

#### HDAC klase II
##### Klasa IIA
HDAC-ovi klase IIA uključuju HDAC4, HDAC5, HDAC7 i HDAC9. Utvrđeno je da HDAC 4 i 5 najviše liče jedan na drugog, dok HDAC7 ima sličnost sa oba. Postoje tri otkrivene varijante HDAC9, uključujući HDAC9a, HDAC9b i HDAC9c/HDRP, dok se sumnjalo na više. Utvrđeno je da varijante HDAC9 imaju sličnosti sa ostalim HDAC-ovima klase IIA. [Za HDAC9, varijante transkripta se mogu posmatrati kao način stvaranja "fino podešenog mehanizma" za nivoe ekspresije diferencijacije u ćeliji. Različiti tipovi ćelija mogu iskoristiti i koristiti različite izoformnih enzima HDAC9, omogućavajući različite oblike regulacije. HDAC 4, 5 i 7 imaju svoje katalitske domene smještene na C-kraju zajedno sa NLS regijom, dok HDAC9 ima svoj katalitski domen smješten na N-kraju. Međutim, HDAC9 varijanta HDAC9c/HDRP nema katalitski domen, ali ima 50% sličnosti sa N-terminalnim HDAC-a 4 i 5.

Za HDACs 4, 5 i 7, otkriveni su konzervirani domeni vezivanja koji se vezuju za C-terminalni vezujući protein (CtBP), faktor pojačivača miocita 2 (MEF2) i 14-3-3. Sva tri HDAC-a rade na potiskivanju miogenog transkripcijskog faktora MEF2 koji ima bitnu ulogu u diferencijaciji mišića kao transkripcija koja vezuje DNK-faktor. Vezivanje HDAC-a na MEF2 inhibira mišićnu diferencijaciju, koja se može poništiti djelovanjem Ca2+/kalmodulin-ovisne kinaze (CaMK) koja djeluje na disociaciju HDAC/MEF2 kompleks fosforilacijom HDAC dijela. Uočeno je da su uključeni u ćelijsku hipertrofiju u diferencijaciji kontrole mišića, kao i ćelijsku hipertrofiju u mišićnom i hrskavičnom tkivu. Pokazalo se da HDAC 5 i 7 rade u suprotnosti sa HDAC4 tokom regulacije diferencijacije mišića, kako bi zadržali odgovarajući nivo ekspresije. Postoje dokazi da ovi HDAC-ovi takođe stupaju u interakciju sa HDAC3 kao faktorom koregrutacije za SMRT/N-CoR faktore u jedru. Pokazalo se da odsustvo enzima HDAC3 dovodi do neaktivnosti zbog čega se  vjeruje da HDACs 4, 5 i 7 pomažu u inkorporaciji regruta koji se vezuju za DNK za HDAC komplekse koji sadrže HDAC3 i koji se nalaze u jedru. Kada HDAC4 je nokautiran kod miševa, oni pate od izražene hondrocitne hipertrofije i umiru zbog ekstremnog okoštavanja. Pokazalo se da HDAC7 potiskuje Nur77 zavisnu apoptozu. Ova interakcija dovodi do uloge u klonskoj ekspanziji T-ćelija. Pokazalo se da HDAC9 KO miševi pate od srčane hipertrofije koja je pogoršana kod miševa koji su dvostruko KO za HDAC 9 i 5.

##### Klasa IIB
HDAC-ovi klase IIB uključuju HDAC6 i HDAC10. Ova dva HDAC-a su međusobno najuže povezana u ukupnom nizu. Međutim, katalitička domena HDAC6 je najsličnija HDAC9. Jedinstvena karakteristika HDAC6 je da sadrži dvije katalitičke domene u tandemu jedna s drugom. Još jedna jedinstvena karakteristika HDAC6 je domen HDAC6-, SP3 i Brap2 motiv cinkovog prsta (HUB) domen u C-terminusu koji pokazuje neke funkcije povezane sa ubikvitiniranje, što znači da je ovaj HDAC sklon degradaciji. HDAC10 takođe ima dva katalitička domena. Jedna aktivna domena se nalazi na N-kraju, a pretpostavljena katalitička domena se nalazi na C-terminusu zajedno sa NES domenom. Dva navodni Rb-vezujući domeni su takođe pronađeni na HDAC10 što pokazuje da on može imati ulogu u regulaciji ćelijskog ciklusa. Pronađene su dvije varijante HDAC10, a obje imaju male razlike u dužini. HDAC6 je jedini HDAC za koji je pokazano da djeluje na tubulin, djelujući kao tubulin deacetilaza koja pomaže u regulaciji mikrotubul-zavisne pokretljivosti ćelija. Uglavnom se nalazi u citoplazmi, ali je poznato da se nalazi u jezgru, u kompleksu sa HDAC11. Vidjelo se da HDAC10 djeluje na HDAC-ove 1, 2, 3 (ili SMRT), 4, 5 i 7. Neki dokazi su pokazali da može imati i male interakcije sa HDAC6. Ovo navodi istraživače na vjerovanje da HDAC10 može više funkcionirati kao regruter, a ne kao faktor za deacetilaciju. Međutim, eksperimenti sprovedeni sa HDAC10 su zaista pokazali aktivnost deacetilacije.

#### HDAC-ovi klase IV
##### HDAC11
Pokazalo se da je HDAC11 povezan sa HDAC-ovima 3 i 8, ali se njegov ukupni slijed prilično razlikuje od ostalih HDAC-ova, što ga je dovelo do toga da se nalazi u svojoj kategoriji. HDAC11 ima katalitičku domenu koja se nalazi na svom N-kraju. Nije pronađen ugrađen ni u jedan HDAC kompleks kao što su Nurd ili SMRT, što znači da može imati posebnu funkciju jedinstvenu za sebe. Utvrđeno je da HDAC11 ostaje uglavnom u jedru.

## Također pogledajte 
*Histon-acetiltransferaza
*Histon-deacetilaza
*Metilacija histona
*Acetilacija
*Fosforilacija
*Nukleosom

## Reference 
## Vanjski linkovi 
* Animation of histone tail acetylation and deacetylation: https://web.archive.org/web/20080905050446/http://www.broad.harvard.edu/chembio/lab_schreiber/anims/animations/smdbHDAC.php

Kategorija:Organske reakcije
Kategorija:Proteini
Kategorija:Posttranslacijske modifikacije