UEF//eRepository
DSpace https://erepo.uef.fi
Rinnakkaistallenteet Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta
2020
Histonien muokkaukset ja geenien säätely
Sutinen, Siiri
Suomen Solubiologit ry
article
info:eu-repo/semantics/acceptedVersion
© Suomen Solubiologit ry All rights reserved
http://www.suomensolubiologit.fi/solubiologi-lehti/
https://erepo.uef.fi/handle/123456789/24698
Downloaded from University of Eastern Finland's eRepository
Histonien muokkaukset ja geenien säätely
Siiri S.S. Sutinen1 & Einari A. Niskanen1,2
1Itä-Suomen yliopisto, Biolääketieteen yksikkö, PL 1627, 70211 Kuopio
2einari.niskanen@uef.fi
Tiivistelmä
Histonit ovat kromatiinin rakenteeseen ja DNA:n pakkautumiseen osallistuvia proteiineja, joiden translaation jälkeiset muokkaukset säätelevät geenien ilmentymistä joko aktivoivasti tai hiljentävästi.
Tyypillisimpiä histonien muokkauksia, nk. histonimerkkejä, ovat H3:n ja H4:n N-terminaalihäntien lysiineihin liitettävät asetylaatiot ja eriasteiset metylaatiot. Histonimerkkien dynaamisesta luonteesta ovat vastuussa lukuisat histoneita muokkaavat entsyymit, jotka lisäävät ja poistavat niitä vasteena erilaisille ärsykkeille. Histonimerkkien vaikutus geenien ilmentymiseen välittyy niitä tunnistavien ja muokkauksiin sitoutuvien lukijaproteiinien kautta. Erilaiset histonien muokkaukset rikastuvat erityyppisille genomin alueille, joilla merkkien erilaiset yhdistelmät määrittävät geenien aktiivisuutta.
Näitä histonimerkkien erilaisia yhdistelmiä kutsutaan histonikoodiksi. Histonimerkit ovat tärkeä tutkimuskohde mm. niitä muokkaavien entsyymien lääkekohdepotentiaalin vuoksi.
Pääteksti
Lähes jokaisessa ihmisen solussa on noin kaksi metriä DNA:ta, joka on pakattu 5-10 µm halkaisijaltaan olevan tuman sisään. Tämän pakkauksen mahdollistavat histonioktameereistä koostuvat nukleosomit (kaksi kutakin ydinhistonia: H2A, H2B, H3 ja H4), joiden ympärille DNA kiertyy muodostaen helminauhamaisen rakenteen, kromatiinin (Hyun ym. 2017) (Kuva 1).
Negatiivisesti varautunut DNA pystyy sitoutumaan tiukasti positiivisesti varautuneihin nukleosomeihin (Gong ja Miller 2013). Nukleosomit eivät ole pelkästään passiivisia tukirakenteita, vaan histonien translaation jälkeiset (engl. post translational) muokkaukset muodostavat yhdessä DNA:n metylaation kanssa epigeneettisen geeniensäätelykerroksen, epigenomin. Histonit koostuvat hydrofobisesta globulaarisesta domeenista ja rakenteettomasta häntädomeenista, jossa suurin osa histonien muokkauksista sijaitsee (Hyun ym. 2017).
Geenien transkriptioaktiivisuus on riippuvainen transkriptiokoneiston pääsystä DNA:lle.
Pohjimmiltaan nukleosomit vaimentavat geenien luentaa estämällä steerisesti transkriptiotekijöiden ja muiden proteiinien sitoutumista DNA:han (Ng ym. 2018). Kromatiinille on perinteisesti määritelty kaksi tilaa: löyhemmin pakkautunut aktiivisen transkription eukromatiini ja tiukemmin pakkautunut transkriptionaalisesti inaktiivinen heterokromatiini. Erilaiset histonimerkkien yhdistelmät muodostavat kuitenkin useita toiminnallisesti toisistaan poikkeavia kromatiinialueita. Näiden histonimerkkien yhdistelmien välittämää informaatiota kutsutaan histonikoodiksi. Histonikoodin lukijat tunnistavat ja sitoutuvat eritavoin muokattuihin nukleosomeihin ja ”tulkitsevat” niiden informaation geeniensäätelykoneistolle. Tulkinta voi histonimerkkiyhdistelmästä riippuen olla joko geenien luentaa tehostava tai vaimentava. Erilaisia histonimerkkien yhdistelmiä tunnetaan kymmeniä ja jaottelu eu- ja heterokromatiiniin on nykytiedon valossa liian karkea. Huomattavasti hienosyisempiä jakoja, jopa kymmeniin toisistaan toiminnallisesti poikkeaviin kromatiinitiloihin, on ehdotettu (Ernst ym. 2011, Gong ja Miller 2013).
Histonien muokkaukset ovat dynaamisia
Histonien muokkaukset muuttuvat dynaamisesti vasteena ulkoisille ärsykkeille ja vaikuttavat geenien transkription aktiivisuuteen (Ng ym. 2018). Erilaisia histonimerkkejä, eli kovalenttisesti histoneihin liitettäviä pieniä molekyylejä tai proteiineja, on kasvava määrä ja näistä tärkeimmät ovat: metylaatio, asetylaatio, fosforylaatio ja ubikitinaatio (Lawrence ym. 2016, lisää muokkauksia Huang ym. 2014).
Yleisimpiä ja parhaiten tunnettuja muokkauksia ovat H3:n ja H4:n N-terminaalihäntien lysiinien (K) asetylaatio (ac) ja kolme metylaatioastetta mono- (me1), di- (me2) ja trimetylaatio (me3), jotka ovat
tämän artikkelin keskiössä (Kuva 2). Histonien muokkauksiin viitataan lyhenteellä, jossa yhdistyvät kohdehistoni (histoni 3, H3), muokkauksen kohteena oleva aminohappo (lysiini 9, K9), sekä liitetyn histonimerkin lyhenne (asetylaatio, ac).
Asetylaatio on tyypillisesti aktivoiva histonimerkki, koska se neutraloi lysiinin positiivisen varauksen ja siten heikentää DNA:n ja nukleosomin välistä elektrostaattista interaktiota. Tämä johtaa kromatiinin löyhentymiseen, mikä helpottaa transkriptiotekijöiden ja muiden proteiinien sitoutumista DNA:han (Martin ja Zhang 2005, Gong ja Miller 2013, Soldi ym. 2017). Parhaiten tunnettuja asetyloituvia lysiinejä ovat H3:n K4/K9/K14/K18/K23/K27 ja H4:n K5/K8/K12/K16 (Lawrence ym.
2016).
Metylaatio ei muuta lysiinin varausta ja sen vaikutus voi olla geenien luentaa aktivoiva tai vaimentava, riippuen metylaatioasteesta ja metyloituneen lysiinin tunnistavien lukijaproteiinien aiheuttamista vaikutuksista (Martin ja Zhang 2005, Hyun ym. 2017). Parhaiten tunnettuja metyloituvia lysiinejä ovat H3:n K4/K9/K27/K36/K79 ja H4:n K20 (Lawrence ym. 2016).
Histoneita muokkaavat entsyymit jaetaan ns. kirjoittajiin ja pyyhkijöihin. Histonimerkkejä lisääviä kirjoittajia tunnetaan useita kymmeniä (arviolta noin 50) ja niitä ovat mm. histonimetyylitransferaasit ja -asetyylitransferaasit. Merkkejä poistavia pyyhkijöitä tunnetaan kymmeniä (noin 20) ja niitä ovat mm. histonidemetylaasit ja -deasetylaasit (Gong ja Miller 2013, Hyun ym. 2017). Histonien lysiinien metylaatiota katalysoivat pääasiassa SET-domeenin (engl. Suppressor of variegation 3-9, Enhancer of zeste, Trithorax) sisältävät SET-perheen metyylitransferaasit, jotka käyttävät S-adenosyyli-L- metioniinia metyyliryhmän luovuttajana (Black ym. 2012, Stender ym. 2012). Lähes kaikki tällä hetkellä tunnetut histonidemetylaasit kuuluvat Jumonji C (JmjC) -proteiiniperheeseen (De Santa ym.
2009). Histonimetyylitransferaasit ja -demetylaasit ovat hyvin spesifisiä metylaatiokohdalle ja - asteelle. Histoniasetylaaseilla taas on runsaasti päällekkäisiä substraattispesifisyyksiä (Black ym.
2012, Kooistra ja Helin 2012). Tässä osiossa esitellään yleisimmille H3:n ja H4:n metylaatiolle ja asetylaatioille parhaiten tunnetut entsyymit, jotka on esitetty muokkauskohtineen kuvassa 2.
H3K4:sta metyloivat mm. SETD1A ja SETD1B (engl. SET domain-containing 1A/B), MLL1-4 (engl. mixed lineage leukemia 1-4), NSD2 ja NSD3 (engl. nuclear SET-domain 2/3) sekä SET7/9 entsyymit. MLL3 ja MLL4 voivat metyloida kaikkia kolmea astetta (me1/me2/me3) tai vain me1/me2, ja SET7/9 voi joko mono- tai dimetyloida H3K4:n. Vastavaikuttajina näille metyylitransferaaseille toimivat lysiinispesifinen demetylaasi (LSD) 1, LSD2 ja lysiinidemetylaasit (KDM)5A-D (Black ym. 2012, Kooistra ja Helin 2012, Hyun ym. 2017).
G9a:n ja GLP:n (engl. G9a like protein) muodostama heterodimeerinen H3K9-metyylitransferaasi, SETDB1, SETDB2 (engl. SET-domain bifurcated 1/2), SUV39H1 ja SUV39H2 (engl. suppressor of variegation 3-9 homolog 1/2) metyloivat H3K9:ää. H3K9:sta demetyloivat LSD1, KIAA1718, PHF2, PHF8 (plant homeodomain finger protein 2/8), KDM3A-C ja JmjC-domeenin sisältävä proteiini 2A (JMJD2A) ˗JMJD2D (Black ym. 2012, Hyun ym. 2017). PHF2 saattaa demetyloida joko H3K9me1- tai -me2-merkkejä (Kooistra ja Helin 2012, Stender ym. 2012).
H3K27me1/me2/me3-muokkausten lisäämisestä on usein vastuussa PRC2 (engl. polycomb repressive complex 2). PRC2:n katalyyttisenä alayksikkönä toimivia metyylitransferaaseja ovat EZH1 ja EZH2 (engl. enhancer of zeste homolog 1/2). EZH2 on aktiivisempi kuin EZH1, joten EZH2:n ajatellaan luovan metylaatiomerkit, joita EZH1 ylläpitää (Black ym. 2012, Hyun ym. 2017).
Perinteisesti PRC2:n ajatellaan toimivan yhdessä PRC1:n kanssa, joka sitoutuu H3K27me3-merkkiin ja lisää ubikitiinin H2AK119:ään ylläpitäen repressoitua kromatiinitilaa (Margueron ja Reinberg 2011). Tämä järjestys ei ole ehdoton ja molemmat kompleksit, erityisesti nk. ei-kanoniset PRC1- kompleksit, pystyvät sitoutumaan kromatiinille myös yksin (Laugesen ym. 2016, Lempiäinen ym.
2020).
PRC2:n lisäksi NSD1, NSD2 ja NSD3 metyloivat H3K27:aa. JMJD3, UTX (engl. ubiquitously transcribed tetratricopeptide repeat, X chromosome), PHF8 ja KIAA1718 demetyloivat H3K27- muokkauksia (Black ym. 2012, Kooistra ja Helin 2012).
H3K36:sta metyloivia entsyymejä ovat SET- ja MYND-domeeni (SMYD) 2, SETD2, SETD3, NSD1, NSD2 ja NSD3 (Hyun ym. 2017, Soldi ym. 2017). H3K36:sta demetyloivia entsyymejä ovat JMJD2A-JMJD2D ja KDM2A-2B (Black ym. 2012).
H3K79 sijaitsee H3:n globulaarisen domeenin pinnalla (Lawrence ym. 2016). H3K79:n kaikista kolmesta metylaatioasteesta vastaa nisäkkäissä DOT1L (engl. disruptor of telomeric silencing-1 - like) (Black ym. 2012, Hyun ym. 2017). H3K79-demetylaasi on pitkään ollut tuntematon, mutta viimeaikaisessa tutkimuksessa havaittiin, että KDM2B demetyloi H3K79me2/me3 (Kang ym. 2018).
H4K20 on H4:n parhaiten tunnettu metyloituva lysiini. SMYD5, NSD1, NSD2, SET8, SUV420H1 ja SUV420H2 toimivat H4K20-metyylitransferaaseina. Vastaavasti PHF8, KIAA1718 ja PHF2 toimivat H4K20-demetylaaseina (Black ym. 2012, Stender ym. 2012, Hyun ym. 2017).
Asetyylitransferaasit siirtävät asetyyliryhmän asetyyli-CoA:sta histoniin, ja deasetylaasit poistavat asetyyliryhmän hydrolysoimalla asetamidisidoksen (Seto ja Yoshida 2014, Sabari ym. 2015).
Histoniasetyylitransferaaseja ovat mm. p300, CBP (engl. CREB-binding protein), PCAF (engl.
p300/CBP associated factor) ja GCN5 (engl. general control of amino acid synthesis protein 5). p300 ja CBP asetyloivat paralogeina samoja tähteitä, joita ovat kaikki H3:n ja H4:n N-terminaalihäntien asetyloituvat lysiinit, mutta hieman eri preferensseillä (Henry ym. 2013, Zhou ym. 2019). PCAF ja GCN5 asetyloivat hieman harvempia kohtia kuin p300/CBP (Gong ja Miller 2013) (Kuva 2).
Yli 18 eri histonideasetylaasia (HDAC) on tunnistettu: HDAC:t 1-11 ja sirtuiinit (SIRT) 1-7.
HDAC:ien substraattispesifisyyksiä on ollut vaikea määrittää ja tulokset ovat olleet ristiriitaisia, sillä HDAC:ien substraattien päällekkäisyys johtaa siihen, että yhden entsyymin puuttuessa toinen voi korvata sen toiminnan. HDAC:iden ja SIRT:ien mahdollisia muokkauskohtia on esitetty Kuvassa 2 (Gong ja Miller 2013, Seto ja Yoshida 2014).
Histonimerkit voivat tehostaa tai vaimentaa geenien luentaa
Vain harvat histonimerkit vaikuttavat suoraan kromatiinin rakenteeseen. Tällaisia ovat kuitenkin kromatiinia löyhentävä H4K16ac ja kromatiinia tiukemmin pakkaavat H4K20me2/me3 (Lawrence ym. 2016). Suurin osa histonimerkkien vaikutuksista geenien transkriptioon välittyy lukijaproteiinien kautta. Lukijaproteiineja tunnetaan yli 100, ja ne osallistuvat mm. transkriptiotekijöiden ja kromatiinia, DNA:ta tai histoneita muokkaavien entsyymien rekrytointiin kromatiinille (Hyun ym.
2017, Stillman 2018). Histonimerkit toimivat sitoutumisalustoina lukijaproteiineille, jotka tunnistavat ne konservoituneiden proteiinidomeenien avulla (Gong ja Miller 2013). Histonimerkkien vaikutukset geenien transkription aktiivisuuteen ja kyseisiä muokkauksia lukevat domeenit on koottu taulukkoon 1.
Bromodomeeni oli ensimmäinen histonimerkkejä tunnistava proteiinidomeeni, jonka substraatti, asetyloitu lysiini, löydettiin kokeellisesti (Dhalluin ym. 1999). Bromodomeeni on pääasiallinen asetylaatiomerkkien lukija (Allis ja Januwein 2016). Muita asetyloituun lysiiniin sitoutuvia domeneeja ovat kaksois-bromo-, kaksois-kasvihomeodomeeni (PHD)-sormi- ja kaksois-PH- domeenit (Gong ja Miller 2013). Metylaatiomerkkejä lukevia domeeneja ovat taas kromo-, tudor-, WD40-, PWWP-, TDD-, BAH-, MBT-, PHD- sekä ankyrin-toisto-domeenit (Hyun ym. 2017).
Kromodomeeni löytyy esimerkiksi kahdesta geenien luentaa vaimentavasta proteiinista:
heterokromatiiniproteiinista 1 (HP1), joka sitoutuu H3K9me3:n, sekä PRC1:stä, joka sitoutuu H3K27me3:n (Allis ja Jenuwein 2016). H3K27me3-muokattuja alueita kutsutaan polycomb- repressoiduksi kromatiiniksi ja niillä on tärkeä tehtävä geenien hiljentämisessä esimerkiksi yksilön kehityksen aikana (Laugesen ym. 2016).
Yleistettynä H3K4:n, H3K36:n ja H3K79:n metylaatiot ovat transkriptiota aktivoivia, kun taas H3K9:n, H3K27:n ja H4K20:n metylaatiot liittyvät hiljennettyihin geeneihin tai kromatiinitiloihin (Hyun ym. 2017). Poikkeuksena tähän sääntöön H3K9me1:n ja H4K20me1:n on havaittu sijoittuvan myös aktiivisille geeneille ja H3K36me1:n arvellaan voivan osallistua geenien hiljentämiseen (Krishnan ym. 2011, Black ym. 2012, Kooistra ja Helin 2012, Soldi ym. 2017).
Histonimerkkien sijoittuminen genomin eri alueille
Histonimerkkien sijoittuminen kromatiinille muodostaa histonikoodin. Eri histonimerkkien yhdistelmät rikastuvat aktiivisen tai repressoidun genomin alueille, geenien säätelyalueille, promoottoreille, transkription aloituskohdille (TSS) ja tehostajajaksoille (engl. enhancers). On tärkeää huomata, että DNA:ta sitovat proteiinit sitoutuvat parhaiten paljaaseen DNA:han ja siksi aktiivisen kromatiinin alueella ei ole nukleosomeja. Aktivoivat histonimerkit sijaitsevatkin pääasiassa nukleosomeissa, jotka reunustavat nukleosomeista vapaita alueita muodostaen tunnistettavan kaksihuippuisen lokalisaatiosignaalin aktiivisten alueiden ympärille (Soldi ym. 2017).
Makromolekyyliset kromatiinin muokkauskompleksit, kuten SWI/SNF, käyttävät ATP:tä energiana sitoutuakseen nukleosomeihin, häiritäkseen DNA:n ja histonien välistä interaktiota ja aiheuttaakseen nukleosomien liikkumisen kromatiinilla. Tämä toiminta löyhentää tai pakkaa kromatiinia tiukemmin ja siten säätelee transkriptiotekijöiden ja muiden proteiinien pääsyä DNA:lle (Wang ym. 2019, Zhang ja Cao 2019). Tässä osiossa käsiteltävät histonimerkkien genomiset lokalisaatiot on esitetty kuvassa 3 ja tiivistetty taulukkoon 1.
Repressiiviset histonimerkit voivat liittyä heterokromatiiniin, kuten H3K9-metylaatiot H3K27me2/me3 ja H4K20me3, tai toimia aktiivisen kromatiinin alueella yksittäisten geenien vaimentamisessa, kuten H3K9me1/me2 (Stender ym. 2012, Margueron ja Reinberg 2011).
H3K9me2/3 rikastuvat hiljennettyjen geenien TSS:iin ja H3K9me3 esiintyy lisäksi promoottoreilla (Krishnan ym. 2011, Hyun ym. 2017). H3K27me3 voi esiintyä inaktiivisen geenin promoottorilla, etenkin TSS:ssa, tai koodaavalla alueella (Black ym. 2012, Margueron ja Reinberg 2011).
Aktivoivista histonimerkeistä H3K36me2/me3 ja H3K79me2/me3 rikastuvat aktiivisesti luettujen geenien koodaaville alueille, mikä viittaisi näiden merkkien tehtävään transkription elongaatiossa (Kooistra ja Helin 2012, Hyun ym. 2017). H3K36me2/me3:n signaalit ovat korkeimmillaan geenin 3’-päässä ja H3K79me2/me3:n signaalit päinvastoin painottuvat lähelle geenien TSS:aa ja 5’-päätä (Soldi ym. 2017). Muita aktiivisten geenien koodaavalle alueelle sijoittuvia histonimerkkejä ovat
mm. H3K27me1, H4K20me1, 5’-päähän sijoittuva H3K36me1 sekä 3’-päässä esiintyvä H3K79me1 (Black ym. 2012, Kooistra ja Helin 2012, Margueron ja Reinberg 2011, Hyun ym. 2017).
Promoottorit ovat geenien säätelyalueita, joille RNA-polymeraasi sitoutuu. Geenin transkriptio alkaa TSS:sta, jolle tunnusomainen histonimerkki on H3K4me3. H3K4me1/me2 on rikastunut TSS:n reuna-alueille (Kooistra ja Helin 2012). H3K4me3 merkitsee aktiivisia promoottoreita tai bivalentteja eli valmiustilassa olevia promoottorialueita, jolloin niillä esiintyy myös H3K27me3 (Black ym.
2012). Aktiivisilla promoottoreilla voivat esiintyä myös H3K79me2, H3K36me1 ja H3K9me1 (Krishnan ym. 2011, Kooistra ja Helin 2012, Hyun ym. 2017). Lisäksi asetylaatiomerkit voivat transkriptiota aktivoivina merkkeinä sijaita sekä promoottoreilla että tehostajajaksoilla (Soldi ym.
2017).
Tehostajajaksot ovat geenin luentaa lisääviä säätelyalueita. H3K4me1 on tärkeä tehostajajaksoa merkitsevä histonimerkki, ja sen kanssa tyypillisesti introneihin lokalisoituvia tehostajajaksoja merkitsevät H3K36me3 ja H3K79me2 (Black ym. 2012). Tehostajajaksoilla voi esiintyä myös H3K27ac, joka merkitsee erityisen aktiivista tehostajajaksoa. H3K36me2 rikastuu H3K4me1:n ja H3K27ac:n kanssa intronisille ja geenienvälisille aktiivisten tehostajajaksojen ryhmittymille eli nk.
supertehostajajaksoille. Myös tehostajajakso voi olla bivalentti, jolloin siinä ovat sekä H3K4me1- että H3K27me3-muokkaukset (Soldi ym. 2017).
Lopuksi
Histonien muokkauksien tutkimuksessa on edetty pitkälle siitä, kun histonimerkkien uraauurtava tutkimus aloitettiin 1960-luvulla (Allis ja Jenuwein 2016). Histonikoodi on paljastunut tärkeäksi geeniensäätelyn kerrokseksi, jota osataan jo tulkita yksittäisten merkkien ja muutamien merkkien yhdistelmien osalta. Heikommin tunnettujen histonien muokkauskohtien, esimerkiksi histonien globulaaristen domeenien tähteiden, rooli geenien säätelyssä on laajalti vielä selvittämättä. Uusia muokkauksia, esimerkiksi erilaisia asylaatioita, löydetään myös jatkuvasti lisää (Lawrence ym.
2016). Uudet muokkaukset ja muokkauskohdat laajentavat histonikoodin mahdollisten yhdistelmien kirjoa ja voivat osallistua uusien aktiivisuustilojen tai kromatiinin tilojen määrittämiseen. Tämä herättää kysymyksen, kuinka monta toisistaan toiminnallisesti poikkeavaa kromatiinin tilaa on olemassa? Tulkinnat histonikoodista perustuvat toistaiseksi pääasiassa kromatiini- immunopresipitaatioon yhdistettynä syväsekvensointiin (ChIP-seq), jonka tulokset ovat keskiarvoja useista soluista. Käyttämällä yksisolun-sekvensointitekniikoita ja tehokkaampia
massaspektrometrian menetelmiä, pystymme saamaan lisää tietoa siitä, mitkä histonimerkkien yhdistelmät ovat mahdollisia ja merkityksellisiä yksittäisen histonin, nukleosomin ja solun tasolla.
Histonien muokkaukset säätelevät geenien ilmentymisen lisäksi myös muita solun prosesseja, kuten DNA:n korjausmekanismeja, ja lähes kaikki histoneita muokkaavat entsyymit muokkaavat myös muita proteiineja sekä tumassa että sytoplasmassa (Gong ja Miller 2013, Allis ja Jenuwein 2016).
Missä määrin histonien muokkaukset nivoutuvat yhteen solun metabolian ja muiden prosessien kanssa? Esimerkkejä metabolian ja histonien muokkausten välillä tunnetaan jo ja niiden vaikutus ihmisen terveyteen ja sairauksiin on yksi kiinnostavimmista tulevaisuuden tutkimuskohteista (Li ym.
2018). Tärkein esimerkki on solun energiametaboliassa toimiva asetyylikoentsyymi-A, joka on myös pääasiallinen asetyyliryhmän luovuttaja histoniasetyylitransferaaseille. Tämä koentsyymin yhteiskäyttö mahdollistaa solun energiatason heijastumisen geenien aktiivisuuteen ja voi olla tärkeä osa histonikoodin säätelyä.
Monet histoneja muokkaavat entsyymit ovat jo lääkinnällisiä kohteita, esimerkiksi histonideasetylaasi-inhibiittoreita voidaan käyttää syöpä- ja tulehduslääkkeinä (Seto ja Yoshida 2014). Nähtäväksi jää, kuinka monen sairauden hoidossa voidaan jatkossa hyödyntää histoneita muokkaaviin entsyymeihin kohdistuvia lääkkeitä ja voidaanko harvinaisista histonien muokkauksista löytää vielä uusiakin lääkekohteita.
Ydinasiat
Nukleosomit ovat sekä DNA:n tukiranka että aktiivinen rakenne, joka osallistuu geenien säätelyyn.
Histonikoodi koostuu dynaamisista histoneihin translaation jälkeen liitettävistä muokkauksista, jotka esiintyvät kromatiinilla erilaisina toiminnallisesti toisistaan poikkeavina yhdistelminä.
Kirjoittajat ja pyyhkijät liittävät ja poistavat muokkauksia histoneista ja lukijat tulkitsevat niitä geenienluentakoneistolle.
Histonimerkkien yhdistelmiä voidaan käyttää tunnistamaan ja luokittelemaan erilaisia kromatiinitiloja ja genomin toiminnallisia alueita.
Histonimerkkejä tutkitaan mahdollisina biomarkkereina sekä histoneja muokkaavia proteiineja lääkinnällisinä kohteina.
Kirjallisuusviitteet
Allis CD, Jenuwein T (2016) The molecular hallmarks of epigenetic control. Nat Rev Genet. 17: 487- 500. doi: 10.1038/nrg.2016.59.
Black JC, Van Rechem C, Whetstine JR (2012) Histone Lysine Methylation Dynamics:
Establishment, Regulation, and Biological Impact. Mol Cell. 48: 491-507. doi:
10.1016/j.molcel.2012.11.006.
De Santa F, Narang V, Yap ZH, Tusi BK, Burgold T, Austenaa L, Bucci G, Caganova M, Notarbartolo S, Casola S, Testa G, Sung W, Wei C, Natoli G (2009) Jmjd3 contributes to the control of gene expression in LPS-activated macrophages. EMBO J. 28: 3341-3352. doi:
10.1038/emboj.2009.271.
Dhalluin C, Carlson JE, Zeng L, He C, Aggarwal AK, Zhou MM (1999) Structure and ligand of a histone acetyltransferase bromodomain. Nature. 399: 491-496.
Ernst J, Kheradpour P, Mikkelsen TS, Shoresh N, Ward LD, Epstein CB, Zhang X, Wang L, Issner R, Coyne M, Ku M, Durham T, Kellis M, Bernstein BE (2011) Mapping and analysis of chromatin state dynamics in nine human cell types. Nature. 473: 43-49. doi: 10.1038/nature09906.
Gong F, Miller KM (2013) Mammalian DNA repair: HATs and HDACs make their mark through histone acetylation. Mutat Res. 750: 23-30. doi: 10.1016/j.mrfmmm.2013.07.002.
Huang H, Sabari BR, Garcia BA, Allis CD, Zhao Y (2014) SnapShot: histone modifications. Cell.
159: 458-458.e1. doi: 10.1016/j.cell.2014.09.037.
Hyun K, Jeon J, Park K, Kim J (2017) Writing, erasing and reading histone lysine methylations.
Exp Mol Med. 49: e324. doi: 10.1038/emm.2017.11.
Kang J, Kim J, Kim K, Park JW, Cho H, Hahm JY, Chae Y, Kim D, Kook H, Rhee S, Ha N, Seo S (2018) KDM2B is a histone H3K79 demethylase and induces transcriptional repression via sirtuin- 1–mediated chromatin silencing. FASEB J. 32: 5737-5750. doi: 10.1096/fj.201800242R.
Kooistra SM, Helin K (2012) Molecular mechanisms and potential functions of histone demethylases. Nat Rev Mol Cell Biol. 13: 297-311. doi: 10.1038/nrm3327.
Krishnan S, Horowitz S, Trievel RC (2011) Structure and Function of Histone H3 Lysine 9
Methyltransferases and Demethylases. ChemBioChem. 12: 254-263. doi: 10.1002/cbic.201000545.
Laugesen A, Højfeldt JW, Helin K (2016) Role of the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) in Transcriptional Regulation and Cancer. Cold Spring Harb Perspect Med. 6. pii: a026575. doi:
10.1101/cshperspect.a026575.
Lawrence M, Daujat S, Schneider R (2016) Lateral Thinking: How Histone Modifications Regulate Gene Expression. Trends Genet. 32: 42-56. doi: 10.1016/j.tig.2015.10.007.
Lempiäinen JK, Manjur ABMK, Malinen M, Ketola K, Niskanen EA, Palvimo JJ (2020) BCOR- coupled H2A monoubiquitination represses a subset of androgen receptor target genes regulating prostate cancer proliferation. Oncogene. 39: 2391-2407. doi: 10.1038/s41388-020-1153-3.
Li X, Egervari G, Wang Y, Berger SL, Lu Z (2018) Regulation of chromatin and gene expression by metabolic enzymes and metabolites. Nat Rev Mol Cell Biol. 19: 563-578. doi: 10.1038/s41580- 018-0029-7.
Margueron R, Reinberg D (2011) The Polycomb Complex PRC2 and its Mark in Life. Nature. 469:
343-349. doi: 10.1038/nature09784.
Martin C, Zhang Y (2005) The diverse functions of histone lysine methylation. Nat Rev Mol Cell Biol. 6: 838-849.
Ng GY, Yun-An L, Sobey CG, Dheen T, Fann DY, Arumugam TV (2018) Epigenetic regulation of inflammation in stroke. Ther Adv Neurol Disord. 11. doi: 10.1177/1756286418771815.
Sabari BR, Tang Z, Huang H, Yong-Gonzalez V, Molina H, Kong HE, Dai L, Shimada M, Cross JR, Zhao Y, Roeder RG, Allis CD (2015) Intracellular Crotonyl-CoA Stimulates Transcription Through p300-Catalyzed Histone Crotonylation. Mol Cell. 58: 203-215. doi:
10.1016/j.molcel.2015.02.029.
Seto E, Yoshida M (2014) Erasers of Histone Acetylation: The Histone Deacetylase Enzymes. Cold Spring Harb Perspect Biol. 6: a018713. doi: 10.1101/cshperspect.a018713.
Soldi M, Mari T, Nicosia L, Musiani D, Sigismondo G, Cuomo A, Pavesi G, Bonaldi T (2017) Chromatin proteomics reveals novel combinatorial histone modification signatures that mark distinct subpopulations of macrophage enhancers. Nucleic Acids Res. 45: 12195-12213. doi:
10.1093/nar/gkx821.
Stender JD, Pascual G, Liu W, Kaikkonen MU, Do K, Spann NJ, Boutros M, Perrimon N, Rosenfeld MG, Glass CK (2012) Control of Pro-Inflammatory Gene Programs by Regulated Trimethylation and Demethylation of Histone H4K20. Mol Cell. 48: 28-38. doi:
10.1016/j.molcel.2012.07.020.
Stillman B (2018) Histone Modifications: Insights into Their Influence on Gene Expression. Cell.
175: 6-9. doi: 10.1016/j.cell.2018.08.032.
Wang Z, Liu S, Tao Y (2019) Regulation of chromatin remodeling through RNA polymerase II stalling in the immune system. Mol Immunol. 108: 75-80. doi: 10.1016/j.molimm.2019.02.012.
Zhang Q, Cao X (2019) Epigenetic regulation of the innate immune response to infection. Nat Rev Immunol. 19: 417-432. doi: 10.1038/s41577-019-0151-6.
Zhou W, Jiang D, Tian J, Liu L, Lu T, Huang X, Sun H (2019) Acetylation of H3K4, H3K9, and H3K27 mediated by p300 regulates the expression of GATA4 in cardiocytes. Genes Dis. 6: 318- 325. doi: 10.1016/j.gendis.2018.10.002.
Kuva 1 Nukleosomin rakenne. Nukleosomin ytimen muodostaa ydinhistonien H2A, H2B, H3 ja H4 globulaariset domeenit, joiden ympärille DNA kiertyy. Ydinhistoneiden muodostamassa histonioktameerissa kutakin ydinhistonia on kaksi kopiota. Histonien häntädomeenit työntyvät vapaasti nukleosomin ulkopuolelle.
Kuva 2 Histoneiden H3 ja H4 metyloituvat ja asetyloituvat lysiinit ja niitä muokkaavat entsyymit.
Metylaatioita lisäävät metyylitransferaasit (punainen) ja poistavat demetylaasit (pinkki) sekä asetylaatioita lisäävät asetyylitransferaasit (oranssi) ja poistavat deasetylaasit (keltainen) on liitetty niiden muokkaamiin lysiineihin H3:n ja H4:n N-terminaalihäntien aminohapposekvensseissä.
Metylaation ja demetylaation aste on esitetty kunkin entsyymin vieressä palloilla siten, että yksi pallo vastaa monometylaatiota, kaksi palloa dimetylaatiota ja kolme palloa trimetylaatiota.
Kuva 3 Histonimerkkien sijainti geenien läheisyydessä. (A) Inaktiivisen geenin tyypillisiä muokkauksia ovat H3K9me2/me3 ja H3K27me3, jotka kaikki kertyvät hiljennetyn geenin TSS:an.
(B) Aktiivisella geenillä esiintyy suuri joukko erilaisia aktivoivia histonimerkkejä. Juuri aktiivisen TSS:n tai tehostajajaksojen kohdalla histoneita ei ole, mikä aiheuttaa histonimerkkien signaalin kaksihuippuisuuden näiden kohtien ympärillä. Promoottorille ja TSS:n läheisyyteen sijoittuvia merkkejä ovat etenkin H3K4me3 ja erilaiset asetylaatiot mutta myös H3K4me1/me2, H3K9me1, H3K36me1 ja H3K79me2/me3, joista kolme viimeistä ylettyvät myös geenin koodaavan alueen 5’- päähän. Koodaavan alueen 3’-päähän painottuvia muokkauksia ovat H3K36me2/me3 ja H3K79me1.
H3K27me1 ja H4K20me1 sijoittuvat myös geenin koodaavalle alueelle mutta eivät rikastu erityisesti geenin kumpaankaan päähän. Erilaisia tehostajajaksoja merkitsee erilaiset histonimerkkien yhdistelmät, joissa keskeisenä on läsnä H3K4me1. (C) Bivalentin eli valmiustilassa olevan geenin promoottorille tyypillinen on H3K4me3/K27me3-yhdistelmä. Bivalenttia tehostajajaksoa merkitsee H3K4me1/K27me3-yhdistelmä.
Taulukko 1 Histonien muokkausten vaikutukset geenien transkriptioon, merkkejä lukevat domeenit ja merkkien lokalisaatio genomissa. Histonimerkit voivat olla transkriptiota aktivoivia (vihreä) tai vaimentavia (oranssi). Histonimerkin lukeva domeeni on merkitty tummansinisellä. Yksinkertaistettu ja tiivistetty lokalisaatio genomissa on esitetty kullekin histonimerkille (Krishnan ym. 2011, Black ym. 2012, Kooistra ja Helin 2012, Margueron ja Reinberg 2011, Lawrence ym. 2016, Hyun ym. 2017, Soldi ym. 2017).
