Metilacija histona

S Wikipedije, slobodne enciklopedije

Metilacija histona je proces kojim se metilne grupe prenose na aminokiseline histonskih proteina koji čine nukleosome, koje DNK dupla spirala koja se omota okolo i formira hromosome. Metilacija histona može povećati ili smanjiti transkripciju gena, ovisno o tome koje su aminokiseline u histonima metilirane i koliko je metilnih grupa vezano. Događaji metilacije koji slabe hemijske privlačnosti između histonskih repova i DNK povećavaju transkripciju jer omogućavaju da se DNK odvoji od nukleosoma, tako da proteini faktora transkripcije i RNK-polimeraza mogu pristupiti DNK. Ovaj proces je kritičan za regulaciju ekspresije gena koja omogućava različitim ćelijama da eksprimiraju različite gene.

Funkcija[uredi | uredi izvor]

Metilacija histona, kao mehanizam za modifikaciju strukture hromatina, povezana je sa stimulacijom nervnih puteva za koje se zna da su važni za formiranje dugoročne memorije i učenje.[1] Životinjski modeli su pokazali da su metilacija i drugi mehanizmi epigenetičke regulacije povezani sa stanjima starenja, neurodegenerativnim bolestima i intelektualnom invalidnošću[1] (Rubinstein-Taybijev sindrom, X-vezana intelektualna invalidnost).[2] Pogrešna regulacija H3K4, H3K27 i H4K20 povezana je sa kancerima.[3] Ova modifikacija mijenja svojstva nukleosoma i utiče na njegove interakcije sa drugim proteinima, posebno u pogledu procesa transkripcije gena.

  • Metilacija histona može biti povezana ili sa transkripcijskom represijom ili aktivacijom. Na +primjer, trimetilacija histona H3 na lizinu 4 (H3K4me3) je aktivna oznaka za transkripciju i pojačana je u hipokampusu jedan sat nakon kontekstualnog uslovljavanja strahom kod pacova. Međutim, dimetilacija histona H3 na lizinu 9 (H3K9me2), signala za utišavanje transkripcije, povećava se nakon izlaganja ili uvjetovanju straha ili samo novom okruženju.[4]
  • Metilacija nekih lizina (K) i argininskih (R) ostataka histona rezultira aktivacijom transkripcije. Primeri uključuju metilaciju lizina 4 histona 3 (H3K4me1), i ostatke arginina (R) na H3 i H4.
  • Dodavanje metilnih grupa histonima pomoću histon-metiltransferaza, može ili aktivirati ili dodatno potisnuti transkripciju, ovisno o aminokiselini koja se metilira i prisutnosti drugih metil ili acetil-grupa u blizini.[5]

Mehanizam[uredi | uredi izvor]

Osnovna jedinica hromatina, zvana nukleosom, sadrži DNK omotanu oko proteinskog oktamera. Ovaj oktamer sastoji se od po dvije kopije od četiri histonska proteina: H2A, H2B, H3 i H4. Svaki od ovih proteina ima produžetak repa, a ti repovi su mete modifikacije nukleosoma metilacijom. Aktivacija ili inaktivacija DNK u velikoj mjeri ovisi o specifičnom metiliranom ostatku repa i njegovom stepenu metilacije. Histoni se mogu metilirati samo na ostacima lizina (K) i arginina (R), ali se metilacija najčešće opaža na lizinskim ostacima histonskih repova H3 i H4.[6] Kraj repa koji je najudaljeniji od jezgra nukleozoma je N-terminal (ostaci su numerirani počevši od ovog kraja). Uobičajena mjesta metilacije povezana s aktivacijom gena uključuju H3K4, H3K48 i H3K79, a za inaktivaciju gena uključuju H3K9 i H3K27.[7] Studije ovih mjesta otkrile su da metilacija histonskih repova na različitim ostacima služi kao markeri za regrutaciju različitih proteina ili proteinskih kompleksa koji služe za regulaciju aktivacije ili inaktivacije hromatina. Ostaci lizina i arginina sadrže amino grupe, koje daju osnovne i hidrofobne karakteristike. Lizin može biti mono-, di- ili trimetiliran metilnom grupom koja zamjenjuje svaki vodik njegove NH3+ grupe. Sa slobodnom NH2 i NH2+ grupom, arginin može biti mono- ili dimetiliran. Ova dimetilacija se može dogoditi asimetrično na NH2 grupi ili simetrično sa jednom metilacijom na svakoj grupi.[8] Svaki dodatak metil grupe na svaki ostatak zahtijeva specifičan skup proteinskih enzima s različitim supstratima i kofaktorima. Općenito, metilacija argininskog ostatka zahtijeva kompleks koji uključuje proteinsku arginin-metiltransferazu (PRMT), dok je za lizin potrebna specifična histon-metiltransferaza (HMT), koja obično sadrži evolucijski konzerviran SET domen.[9]

Različiti stupnjevi metilacije ostatka mogu dati različite funkcije, kao što je prikazano u metilaciji najčešće proučavanog H4K20 ostatka. Monometilovani H4K20 (H4K20me1) je uključen u zbijanje hromatina i stoga transkripcionu represiju. Međutim, H4K20me2 je od vitalnog značaja za popravku oštećene DNK. Kada je dimetiliran, ostatak pruža platformu za vezivanje proteina 53BP1, koji je uključen u popravku dvolančanih prekida DNK nehomolognim spajanjem krajeva. Primećeno je da je H4K20me3 koncentriran u heterohromatinu, a redukcije ove trimetilacije primećene su u progresiji raka. Stoga, H4K20me3 ima dodatnu ulogu u represiji hromatina.[9] Popravak dvolančanih prekida DNK u hromatinu se također dešava homolognom rekombinacijom i također uključuje metilaciju histona (H3K9me3), kako bi se olakšao pristup enzima za popravak do mjesta oštećenja.[10]

Histon-metiltransferaza[uredi | uredi izvor]

Pogled sprijeda na ljudski enzim histon lizin N-metiltransferazu, specifičan za H3 lizin-4.

Genom je čvrsto kondenzovan u hromatin, koji treba da se olabavi da bi se dogodila transkripcija. Da bi se zaustavila transkripcija gena, DNK mora biti čvršće namotana. To se može postići modificiranjem histona na određenim mjestima metilacijom. Histon-metiltransferaze su enzimi koji prenose metilne grupe sa S-Adenozil metionina (SAM) na lizinske ili argininske ostatke histona H3 i H4. Postoje primjeri da su jezgra globulastih domena histona također metilirana. Histonske metiltransferaze su specifične ili za lizin ili za arginin. Transferaze specifične za lizin se dalje raščlanjuju na to da li imaju ili nemaju SET domen ili ne-SET domen. Ovi domeni tačno određuju kako enzim katalizira transfer metila sa SAM na protein za prijenos i dalje na histonski ostatak.[11] Metiltransferaze mogu dodati 1-3 metila na ciljne ostatke. Ovi metili koji se dodaju histonima djeluju tako da regulišu transkripciju, blokirajući ili ohrabrujući pristup DNK faktorima transkripcije. Na taj način integritet genoma i epigenetIčko nasljeđe gena su pod kontrolom djelovanja histon-metiltransferaza. Metilacija histona je ključna u razlikovanju integriteta genoma i gena koje ćelije eksprimiraju, čime se ćelijama daje njihov identitet.

Metilirani histoni mogu potisnuti ili aktivirati transkripciju.[11] Naprimjer, dok su H3K4me2, H3K4me3 i H3K79me3 općenito povezani s transkripcijskom aktivnošću, H3K9me2, H3K9me3, H3K27me2, H3K27me3 i H4K20me3 su povezani sa transkripcijskom represijom.[12]

Epigenetika[uredi | uredi izvor]

Epigenetički mehanizmii

Modifikacije napravljene na histonu utiču na gene koji se eksprimiraju u ćeliji i to je slučaj kada se histonskim ostacima dodaju metili histonskim metiltransferazama.[13] Metilacija histona ima važnu ulogu u sklapanju mehanizma heterohromatina i održavanju granica gena između gena koji su transkribovani i onih koji nisu. Ove promjene se prenose na potomstvo i na njih može uticati okruženje kojem su ćelije podložne. Epigenetičke promjene su reverzibilne, što znači da mogu biti mete za terapiju.

Aktivnosti histon-metiltransferaza nadoknađuju se aktivnošću histon-demetilaza. Ovo omogućava uključivanje ili isključivanje transkripcije, poništavanjem već postojećih modifikacija. Neophodno je da se aktivnosti histon-metiltransferaza i histon-demetilaza strogo regulišu. Pogrešna regulacija jednog i drugog može dovesti do ekspresije gena što dovodi do povećane osjetljivosti na bolesti. Mnogi karcinomi nastaju zbog neodgovarajućih epigenetičkih efekata pogrešno regulisane metilacije.[14] Međutim, pošto su ovi procesi ponekad reverzibilni, postoji interes da se njihove aktivnosti koriste zajedno sa terapijama protiv raka.[14]

U inaktivaciji hromosoma X[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: X-inaktivacija

U ženskim organizmima, sperma koja sadrži X hromosom oplodi jaje, dajući embrionu dvije kopije X hromosoma. Ženama, međutim, u početku nisu potrebne obje kopije, jer bi to samo udvostručilo količinu transkribovanih proteinskih proizvoda, kao što pokazuje hipoteza kompenzacije doze. Očev X hromosom se brzo inaktivira tokom prvih nekoliko dioba.[15] Ovaj neaktivni X hromosom (Xi) je upakovan u nevjerovatno čvrst oblik hromatina koji se zove heterohromatin.[16] Ovo pakiranje nastaje zbog metilacije različitih lizinskih ostataka koji pomažu u formiranju različitih histona. Inaktivacija X kod ljudi je nasumičan proces koji je posredovan nekodirajućom RNK XIST.[17]

Iako se metilacija lizinskih ostataka dešava na mnogo različitih histona, najkarakterističniji za Xi javlja se na devetom lizinu trećeg histona (H3K9). Dok jedna metilacija ovog regiona omogućava geni koji su vezani da ostanu transkripcijski aktivni,[18] u heterohromatinu ovaj lizinski ostatak se često metilira dva ili tri puta, H3K9me2 ili H3K9me3, kako bi se osiguralo da vezana DNK bude neaktivna. Novija istraživanja pokazala su da su H3K27me3 i H4K20me1 također česti u ranim embrionima. Druge oznake metilacije povezane sa transkripcijski aktivnim područjima DNK, H3K4me2 i H3K4me3, nedostaju na hromosomu Xi, zajedno sa mnogim oznakama acetilacija. Iako je bilo poznato da su određene oznake metilacije Xi histona ostale relativno konstantne između vrsta, nedavno je otkriveno da različiti organizmi, pa čak i različite ćelije unutar jednog organizma mogu imati različite oznake za svoju X inaktivaciju.[19] Metilacijom histona dolazi do genetičkog otiskivanja, tako da isti homologni X ostaje inaktiviran kroz replikacije hromosoma i ćelijske diobe.

Mutacije[uredi | uredi izvor]

Zbog činjenice da metilacija histona regulira većinu onoga što geni postaju transkribovani, čak i male promjene u obrascima metilacije mogu imati snažne efekte na organizam. Mutacije koje se javljaju radi povećanja i smanjenja metilacije imaju velike promjene u regulaciji gena, dok mutacije enzima kao što su metiltransferaza i demetiltransferaza mogu potpuno promijeniti koji se proteini transkribiraju u datoj ćeliji. Prekomjerna metilacija hromosoma može uzrokovati inaktivaciju određenih gena koji su neophodni za normalno funkcioniranje ćelija. U određenom soju kvasca, Saccharomyces cerevisiae, mutacija koja uzrokuje da tri lizinska ostatka na trećem histonu, H3K4, H3K36 i H3K79, postanu metilirani, uzrokuje kašnjenje mitotskog ćelijskog ciklusa, kao i to da geni potrebni za ovu progresiju budu inaktivirani. Ova ekstremna mutacija dovodi do smrti organizma. Otkriveno je da delecija gena koji će na kraju omogućiti proizvodnju histon-metiltransferaze omogućava ovom organizmu da živi jer njegovi ostaci lizina nisu metilirani.[20]

Posljednjih godina, istraživači su skrenuli pažnju da su mnoge tipove raka uzrokovane uglavnom epigenetičkim faktorima. Kancer može biti uzrokovan na različite načine zbog diferencijalne metilacije histona. Od otkrića onkogena, kao i gena supresora tumora, poznato je da je veliki faktor izazivanja i potiskivanja raka unutar ljudskog genoma. Ako područja oko onkogena postanu nemetilirane, ovi geni koji uzrokuju rak imaju potencijal da se transkribiraju alarmantnom brzinom. Nasuprot tome je metilacija gena za supresiju tumora. U slučajevima kada su područja oko ovih gena bila visoko metilirana, gen supresor tumora nije bio aktivan i stoga je vjerovatnije da će se pojaviti rak. Ove promjene u obrascu metilacije često su posljedica mutacija u metiltransferazi i demetiltransferazi.[21] Ostali tipovi mutacija u proteinima kao što su izocitrat-dehidrogenaza 1 (IDH1) i izocitrat dehidrogenaza 2 (IDH2) mogu uzrokovati inaktivaciju histon-demetiltransferaze, što zauzvrat može dovesti do raznih karcinoma, glioma i leukemija, ovisno o tome u kojim ćelijama je mutacija javlja.[22]

Jednougljenični metabolizam modifikuje metilaciju histona[uredi | uredi izvor]

U jednougljičnom metabolizmu, aminokiseline glicin i serin konvertuju se preko ciklusa folata i metionina, u nukleotidne prekursore i SAM. Višestruki nutrijenti pokreću jednougljični metabolizam, uključujući glukozu, serin, glicin i treonin. Visoki nivoi SAM donora metila utiču na metilaciju histona, što može objasniti kako visoki nivoi SAM sprečavaju malignu transformaciju.[23]

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ a b Kramer, Jamie M. (februar 2013). "Epigenetic regulation of memory: implications in human cognitive disorders". Biomolecular Concepts. 4 (1): 1–12. doi:10.1515/bmc-2012-0026. hdl:2066/118379. PMID 25436561. S2CID 6195513.
  2. ^ Lilja, Tobias; Nina Heldring; Ola Hermanson (februar 2013). "Like a rolling histone: Epigenetic regulation of neural stem cells and brain development by factors controlling histone acetylation and methylation". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects. 1830 (2): 2354–2360. doi:10.1016/j.bbagen.2012.08.011. PMID 22986149.
  3. ^ Hyun K, Jeon J, Park K, Kim J (2017). "Writing, erasing and reading histone lysine methylations". Experimental & Molecular Medicine. 49 (4): e324. doi:10.1038/emm.2017.11. PMC 6130214. PMID 28450737.
  4. ^ Gupta, Swati; Se Y. Kim; Sonja Artis; David L. Molfese; Armin Schumacher; J. David Sweatt; Richard E. Paylor; Farah D. Lubin (10. 3. 2010). "Histone Methylation Regulates Memory Formation". The Journal of Neuroscience. 30 (10): 3589–3599. doi:10.1523/JNEUROSCI.3732-09.2010. PMC 2859898. PMID 20219993.
  5. ^ Greer, Eric L.; Shi, Yang (2012). "Histone Methylation: A Dynamic Mark in Health, Disease and Inheritance". Nature Reviews Genetics. 13 (5): 343–57. doi:10.1038/nrg3173. PMC 4073795. PMID 22473383.
  6. ^ Jia, Songtao; Wang, Yu (2009). "Degrees make all the difference" (PDF). Epigenetics. 4 (5): 1–4. Arhivirano s originala (PDF), 1. 3. 2011. Pristupljeno 11. 11. 2022.
  7. ^ Gilbert, S. F. (2010). Developmental biology. (9th ed.). Sinauer Associates, Inc. 35-37.
  8. ^ Blanc, Roméo S; Richard, Stéphane (5. 1. 2017). "Arginine Methylation: The Coming of Age". Molecular Cell. 65 (1): 8–24. doi:10.1016/j.molcel.2016.11.003. PMID 28061334.
  9. ^ a b Reinberg, Danny; Zhang, Yi (2001). "Transcription regulation by histone methylation: Interplay between different covalent modifications of the core histone tails". Genes & Development. 15 (18): 2343–2360. doi:10.1101/gad.927301. PMID 11562345.
  10. ^ Wei S, Li C, Yin Z, Wen J, Meng H, Xue L, Wang J (2018). "Histone methylation in DNA repair and clinical practice: new findings during the past 5-years". J Cancer. 9 (12): 2072–2081. doi:10.7150/jca.23427. PMC 6010677. PMID 29937925.
  11. ^ a b Rice, Judd C.; Briggs, Scott D.; Ueberheide, Beatrix; Barber, Cynthia M.; Shabanowitz, Jeffrey; Hunt, Donald F.; Shinkai, Yoichi; Allis, C.David (2003). "Histone Methyltransferases Direct Different Degrees of Methylation to Define Distinct Chromatin Domains". Molecular Cell. 12 (6): 1591–1598. doi:10.1016/S1097-2765(03)00479-9. PMID 14690610.
  12. ^ Kooistra, Susanne Marije; Helin, Kristian (4. 4. 2012). "Molecular mechanisms and potential functions of histone demethylases". Nature Reviews Molecular Cell Biology (jezik: engleski). 13 (5): 297–311. doi:10.1038/nrm3327. ISSN 1471-0072. PMID 22473470. S2CID 26181430.
  13. ^ Cheung, Peter; Lau, Priscilla (2005). "Epigenetic Regulation by Histone Methylation and Histone Variants". Molecular Endocrinology. 19 (3): 563–73. doi:10.1210/me.2004-0496. PMID 15677708.
  14. ^ a b Albert, Mareike; Helin, Kristian (2010). "Histone methyltransferases in cancer". Seminars in Cell & Developmental Biology. 21 (2): 209–220. doi:10.1016/j.semcdb.2009.10.007. PMID 19892027.
  15. ^ Akagi, Nobuo; Sasaki, Motomichi (1975). "Preferential Inactivation of the Paternally Derived X Chromosome in the Extraembryonic Membranes of the Mouse". Nature. 256 (5519): 640–42. Bibcode:1975Natur.256..640T. doi:10.1038/256640a0. PMID 1152998. S2CID 4190616.
  16. ^ Elgin, Sarah C.R.; Grewal, Shiv I.S. (2003). "Heterochromatin: Silence Is Golden". Current Biology. 13 (23): R895–898. doi:10.1016/j.cub.2003.11.006. PMID 14654010. S2CID 9728548.
  17. ^ Ahn, J.; Lee, J. (2008). "X chromosome: X inactivation". Nature Education. 1 (1): 24.
  18. ^ Barski, A.; Cuddapah, S.; Cui, K.; Roh, T.; Schones, D.; Wang, Z.; Wei, G.; Chepelev, I.; Zhao, K. (2007). "High-Resolution Profiling of Histone Methylations in the Human Genome". Cell. 129 (4): 823–37. doi:10.1016/j.cell.2007.05.009. PMID 17512414. S2CID 6326093.
  19. ^ Chow, Jennifer; Heard, Edith (2009). "X Inactivation and the Complexities of Silencing a Sex Chromosome". Current Opinion in Cell Biology. 21 (3): 359–66. doi:10.1016/j.ceb.2009.04.012. PMID 19477626.
  20. ^ Jin, Y.; Rodriguez, A. M.; Stanton, J. D.; Kitazono, A. A.; Wyrick, J. J. (2007). "Simultaneous Mutation of Methylated Lysine Residues in Histone H3 Causes Enhanced Gene Silencing, Cell Cycle Defects, and Cell Lethality in Saccharomyces Cerevisiae". Molecular and Cellular Biology. 27 (19): 6832–841. doi:10.1128/mcb.00745-07. PMC 2099221. PMID 17664279.
  21. ^ Esteller, M (2006). "Epigenetics Provides a New Generation of Oncogenes and Tumour-suppressor Genes". British Journal of Cancer. 94 (2): 179–83. doi:10.1038/sj.bjc.6602918. PMC 2361113. PMID 16404435.
  22. ^ Lu, Chao; Ward, Patrick S.; Kapoor, Gurpreet S.; Rohle, Dan; Turcan, Sevin; Abdel-Wahab, Omar; Edwards, Christopher R.; Khanin, Raya; Figueroa, Maria E.; Melnick, Ari; Wellen, Kathryn E.; O'Rourke, Donald M.; Berger, Shelley L.; Chan, Timothy A.; Levine, Ross L.; Mellinghoff, Ingo K.; Thompson, Craig B. (2012). "DH Mutation Impairs Histone Demethylation and Results in a Block to Cell Differentiation". Nature. 483 (7390): 474–78. Bibcode:2012Natur.483..474L. doi:10.1038/nature10860. PMC 3478770. PMID 22343901.
  23. ^ Wang YP, Lei QY (2018). "Metabolic recoding of epigenetics in cancer". Cancer Commun (Lond). 38 (1): 25. doi:10.1186/s40880-018-0302-3. PMC 5993135. PMID 29784032.

Dopunska literatura[uredi | uredi izvor]

Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Metilacija_histona&oldid=3528546"