Посещений:
ГИСТОНОВЫЕ ДЕАЦЕТИЛАЗЫ 1 и 2

В Развитии и Дифференцировке Клеток

Histone deacetylase 1 and 2-controlled embryonic development and cell differentiation
REINHARD BRUNMEIR, SABINE LAGGER and CHRISTIAN SEISER
Int. J. Dev. Biol. 53: 275-289 (2009) doi: 10.1387/ijdb.082649rb

During development from the fertilized egg to a multicellular organism, cell fate decisions have to be taken and cell lineage or tissue-specific gene expression patterns are created and maintained. These alterations in gene expression occur in the context of chromatin structure and are controlled by chromatin modifying enzymes. Gene disruption studies in different genetic systems have shown an essential role of various histone deacetylases (HDACs) during early development and cellular differentiation. In this review, we focus on the functions of the class I enzymes HDAC1 and HDAC2 during development in different organisms and summarise the current knowledge about their involvement in neurogenesis, myogenesis, haematopoiesis and epithelial cell differentiation.



Z.Wang. C. Zang, K.Cui, D.E.Schones, A.Barski, W.Peng, K. Zhao
Genome-wide Mapping of HATs and HDACs Reveals Distinct Functions in Active and Inactive genes
Cell. - 2009. - Vol. 138, No 5. P. 1019-1031

Гистонацетилтрасферазы (HATs) и гистоновые деацетилазы (HDACs) действуют антагонистически, контролируя ацетилирование гистонов. Так как ацетилирование является гистоновой меткой активной транскрипции, то HATs ассоциируют с активными, а HDACs с неактивными генами. Описывается картирование по всему геному соединения HATs и HDACs с хроматином. Картирование показало, что и HATs и HDACs доставляются к транскрибируемыми регионами активных генов с помощью фосфорилированной РНК Pol II. Более того, большинство HDACs в геноме человека действуют, чтобы перестроить хроматин путем удаления ацетилирования c активных генов. Неактивные гены, которые подготовлены с помощью MLL-обусловленного метилирования гистона Н3К4, оказываются предметом динамических циклов ацетилирования и деацетилирования за счет временного связывания HATs и HDACs, предупреждая тем самым связывание Pol II с этими генами, но сохраняя их готовыми к будущей активации. Молчащие гены без каких-либо сигналов метилирования Н3К4 не обнаруживают присутствия HDACs. Т.о., предполагается существование трех основных способов ассоциации HATs и HDACs с геномом: в активных генах, primed генах и молчащих генах. HDACs функционируют в активных генах, где высокие уровни HDACs удаляют ацетильные группы, добавляемые высокими уровнями HATs во врем процессов инициации и элонгации транскрипции и перестраивают структуру хроматина для следующего раунда транскрипции. Другая у них функция в primed генах, где временное связывание HDACs удаляет ацетильную группу, добавляемую в результате временного связывания HATs и тем самым поддерживается низкий уровень ацетилирования и предупреждается связывание Pol II, тем самым промоторы поддерживаются в неактивном состоянии. Показано, что метилирование Н3К4 с помощью MLL комплексов подготавливает субнабор неэкспрессирующихся генов для ацетилирования гистонов, подтверждая, что эти гены могут быть подготовлены с помощью модификации хроматина для последующей экспрессии.Молчащие гены подразелены на две группы: одна ассоциирует с широко распространенными сигналами H3K27me3, которые добавляются белками группы Polycomb, и др. не ассоциируюет ни с одной из 40 известных модификаций. Тем не менее, ни одна из них не обнаруживает обнаружимой активности ацетилирования/деацетилирования.
Histone deacetylases


Посттрансляционные модификации гистонов вызывают изменения в доступности ДНК, регулируя тем самым многие важные клеточные процессы, включая транскрипцию. Ацетилирование стержневых гистонов ведет к изменению сети позитивных зарядов на хвостах гистонов и к локальному открытию структуры хроматина, признаку транскрипционно активных генов. С одной стороны, деацетилированные хвосты гистонов взаимодействуют, более тесно с ДНК и приводят к репрессивному состоянию. Histone deacetylases (HDACs) катализируют удаление acetyl групп с хвостов гистонов и поэтому рассматриваются как транскрипционные корепрессоры. Помимо гистонов HDACs деацетилируют также негистоновые белки, такие как цитоскелетный белок тубулин (Hubbert et al., 2002) , или транскрипционные факторы, включая p53 (Luo et al., 2000), E2F1 (MartinezBalbas et al., 2000) и YY1 (Yao et al., 2001). Фактически, филогенетический анализ показывает, что ферментативная активность первоначально была направлена против негистоновых белков у общего предшественника, лишенного гистонов (Gregoretti et al., 2004). У млекопитающих идентифицировано 18 деацетилаз. Эти энзимы были подразделены на 4 класса, базируясь на сходстве последовательностей: : классические HDACs представляют class I ( Saccharomyces cerevisiae Rpd3-like), class II (Saccharomyces cerevisiae Hda1-like) и class IV (HDAC11-like). Class III состоит из NAD-зависимой, функционально неродственных Sir2-like deacetylases названных "sirtuins". Class I, II и IV HDACs являются членами родоначального семейства энзимов, высоко законсервированы в эволюции эукариот и прокариот и обнаруживаются у животных, растений, грибов, archaebacteria и eubacteria (Gregoretti et al., 2004).

Class I histone deacetylases


Филогенетический анализ показывает, что гены class I у животных могут быть сгруппированы в HDAC1/HDAC2, HDAC3 и HDAC8-like гены. Члены каждого субкласса были идентифицированы у protostomia (Oger et al., 2008) и deuterostomia. Подробно проанализированные виды несут ортологи (т.е. гены того же самого происхождения, но ставшие разными в результате дивергенции видов) HDAC1/ HDAC2 и HDAC3; ген HDAC8 был потерян во время эволюции у некоторых видов (напр., у Drosophila melanogaster и Caenorhabditis elegans). Родоначальный HDAC1/HDAC2-подобный ген стал предметом независимых событий удвоения в некоторых, но не во всех ветвях (напр., Caenorhabditis elegans и морской ёж Strongylocentrotus purpuratus обладают двумя HDAC1/HDAC2-подобными генами, тогда как Drosophila melanogaster только одним). Важно, что пара генов, обозначаемая какHDAC1 и HDAC2, возникает в результате дупликации гена

Fig. 1. Phylogenetic relationship between animal HDAC1/ HDAC2 proteins. Bootstrapped neighbour-joining phylogenetic tree of selected eukaryotic HDAC1/HDAC2 protein sequences. Caenorhabditis elegans harbours two genes encoding HDAC1/ HDAC2-like proteins originating from an ancient gene duplication event (HDA-1; HDA-3), Drosophila melanogaster a single one (Hdac1). Vertebrates included in the analysis possess paralogs falling into an HDAC1-like (blue) or an HDAC2-like (red) subgroup. Note that HDAC2-like sequences from fish ( Oryzies lapides; Takifugu rubripes; dark red) do not unambiguously group with HDAC2 proteins from higher vertebrates with the methods employed. Alignment of complete protein sequences was performed using ClustalW with default settings, tree building by PAUP 4.0. Bootstrap analyses (1000 trials) provide a measure of confidence for the detected relationship. The sequence of Saccharomyces cerevisiae Rpd3 was used as outgroup. Sc, Saccharomyces cerevisiae ; Ce, Caenorhabditis elegans; Dm, Drosophila melanogaster ; Dr, Danio rerio; Ol, Oryzias lapides; Tr, Takifugu rubripes; Xt, Xenopus tropicalis; Gg, Gallus gallus; Mm, Mus musculus; Hs, Homo sapiens. Protein sequences were derived from www.ensembl.org.

у общего предшественника всех позвоночных. Поэтому большинство позвоночных обладают по одной копии каждого гена (напр., Xenopus tropicalis, Gallus gallus, Mus musculus, Homo sapiens ). У рыб ситуация более сложная. У Danio rerio идентифицирован только один HDAC1/HDAC2-подобный ген, тогда как геном др. видов рыб имеет два ( Salmo salar, Gasterosteus aculeatus ) или даже три (Oryzias latipes, Takifugu rupripes ) предполагаемых HDAC1/HDAC2-подобных гена. Это может быть результатом геномной дупликации, сопровождаемой вторичной потерей (Fig. 1).
Удвоения генов обычно ведут к функциональной диверсификации форм паралогов, так что один из паралогов может приобретать новые функции или приобретать ткане-специфическое распределение. Учитывая тот факт, что удвоение гена HDAC1/HDAC2 произошло относительно недавно в эволюции и, принимая во внимание, что HDAC1 и HDAC2 белки обнаруживают высокое сходство последовательностей (напр., 82% идентичных аминокислот между HDAC1 и HDAC2 человека), поэтому д. обнаруживаться высокая степень функционального перекрывания. Это, по-видимому, важно для большинства биологических процессов, становится также очевидным в исследованиях нокаута (described in detail in the following chapters) , что HDAC1 и HDAC2 также имеют различающиеся и не перекрываемые биологические функции.

Functional domains and posttranslational modifications of HDAC1 and HDAC2


И HDAC1 и HDAC2 содержат несколько доменов с определенными функциями (Fig. 2): (1) каталитический домен общий всем в классе I HDACs формируется участком более чем в 300 аминокислот, составляющим большую часть белка. Активный сайт представлен карманом, содержащим два соседних гистидиновых остатка, два остатка aspartic кислоты и один tyrosine остаток, формирующими систему смены заряда (charge-relay system) с ионом Zn2+в качестве важного компонента (de Ruijter et al., 2003). (2) Этот каталитический домен частично перекрывается с N-терминальным HDAC association domain (HAD; остатки 1 до ~50), который важен для гомо- и гетеродимеризации (Taplick et al., 2001). (3) C-терминальная часть содержит IAC(E/D)E мотив, участвующий во взаимодействии с белками кармана pRb, p107 и p130 (Brehm et al., 1998; Magnaghi-Jaulin et al., 1998). (4) Два аминокислотных остатка в каталитическом домене HDAC1 существенны для взаимодействия с Chfr, ubiquitin ligase, регулирующей деградацию белков (Oh et al., 2009). Наконец, имеются домены, специфичные для HDAC1 или HDAC2: nuclear localisation signal (NLS) на C-конце может быть обнаружен только у HDAC1 (Taplick et al., 2001), тогда как C-терминальный coiled-coil домен (возможно обеспечивающий дополнительные межбелковые ассоциации) , по-видимому, специфичен для HDAC2 (Gregoretti et al., 2004). Самостоятельные дополнительные домены обнаружены только у определенных видов, напр., C-терминальное расширение с неизвестной функцией у дрозофилы.
Белки HDAC1/HDAC2 являются мишенью для различных посттрансляционных модификаций: исследования in vitro показали, фосфорилирование сериновых остатков в С-терминальной порции HDAC1/ HDAC2 усиливает их активность, способствует образованию корепрессорного комплекса и регулирует импорт в ядро (Cai et al., 2001; Pflum et al., 2001; Smillie et al., 2004). В др. исследовании было показано, что фосфорилированная HDAC2 преимущественно включается в корепрессорные комплексы, обнаруживаемы на промоторах (Sun et al., 2007). Однако точная роль фосфорилирования HDAC1/HDAC2 in vivo ещё полностью невыяснена (Karwowska-Desaulniers et al., 2007). Др. модификация. ацетилирование лизина в HDAC домене и на С-конце ведет к уменьшению ферментативной активности (Qiu et al., 2006). Биологическое следствие HDAC1 sumoylation является предметом споров (Colombo et al., 2002; David et al., 2002), но недавно получены доказательства, что sumoylation модулирует взаимодействие с др. белками (Gocke and Yu, 2008). Наконец, Nott et al. нашли, что S-nitrosylation HDAC2 регулирует её отделение от хроматина (Nott et al., 2008).
Большинство из сайтов, модифицированных или в HDAC1 или HDAC2, законсервировано в обоих белках. Следовательно, было бы интересно вычленить, какие модификации на самом деле общи в двух гомологах или проявляются энзим-специфическим образом. Самостоятельные роли для каждого из белков д. быть определены более тщательно.

HDAC1 and HDAC2 - redundancy versus specificity


Некоторые факты подтверждают предпложение о самостоятельных ролях HDAC1 и HDAC2 у организмов, обладающих обоими генами. После истощения HDAC1 или HDAC2, уровни белков паралогов существенно увеличиваются в ряде тканей и клеточных линий мышей (Lagger et al., 2002; Senese et al., 2007). Интересно, что эта перекрестная регуляция, по-видимому, происходит на трансляционном или посттрансляционном уровне скорее, чем на уровне транскрипции, т.к. обилие мРНК HDAC2 не влияет на инактивацию HDAC1 (Montgomery et al., 2007; Senese et al., 2007; Zupkovitz et al., 2006). Одним из возможных механизмов, ответственных за регуляцию уровня белка HDAC1/HDAC2, д. быть модуляция белковой стабильности или за счет межбелковых взаимодействий или химических модификаций белков.
Как следствие некоторые наблюдаемые фенотипические эффекты, сопровождающие потерю или HDAC1 или HDAC2 д. возникать в результате активации соотв. паралога скорее, чем в результате инактивации самого гена. Первая информация относительно этого вопроса была получена в исследованиях по экспрессии генов в ES клетках мышей Zupkovitz с коллегами (Zupkovitz et al., 2006): потеря HDAC1 может оказывать полностью противоположные эффекты на транскрипцию индивидуальных генов мишеней. Экспрессия многих генов индуцируется поскольку не может быть компенсирована HDAC2 в следствие истощения HDAC1. В др. случаях повышенная экспрессия и эктопическое рекрутирование HDAC2 на промоторы приводило к транскрипционной репрессии в отсутствие HDAC1.

HDAC1 and HDAC2 as members of multiprotein complexes


Белки HDAC1 и HDAC2 обладают способностью гомо- и гетеродимеризоваться. Тот факт, что энзимы class I и II или димеризуются или содержат два каталитических домена (напр., HDAC6), строго указывает на то, что присутствие двух активных центров внутри deacetylase комплекса необходимо для деацетилирования белков из некоторых субстратов (Zhang et al. , 2006). HDAC1/HDAC2 неспособен соединяться с ДНК сам по себе, но рекрутируется с помощью транскрипционных факторов, таких как SP1/SP3 (Doetzlhofer et al., 1999) и YY1 (Yang et al. , 1996), E2F белки в комплексе с белками кармана pRb, p107, p130 (Brehm et al. , 1998; Ferreira et al., 1998; MagnaghiJaulin et al., 1998), и опухолевых супрессоров p53 (Juan et al., 2000) и BRCA1 (Yarden and Brody, 1999). Альтернативно, HDAC1/HDAC2 закреплены на ДНК как часть крупного мультипротеинового комплекса. Некоторые HDAC1/HDAC2-содержащие комплексы были охарактеризованы у млекопитающих: (1) SIN3 корепрессорный комплекс, (2) nucleosome remodelling and deacetylase комплекс (NuRD), (3) CoREST комплекс, (4) Nanog и Oct4 associated deacetylase комплекс (NODE) и (5) SHIP1 содержащий комплекс (see Fig. 3 for protein composition of complexes).
(1) SIN3 центральный комплекс содержит 8 белков, включая HDAC1/2 (Silverstein and Ekwall, 2005). Кроме того, он служит в качестве платформы для многочисленных др. белков, ответственных за доставку комплекса к специфическим промоторам (транскрипционные факторы, корепрессоры) или за расширение ферментативных функций основной части. Некоторые комплексы содержат нуклеосомы ремоделирующие белки, такие как BRG1 и BRM (Sif et al., 2001), тогда как др. содержат O-сцепленные N-acetylglucosamine transferases или histone methyltransferases такие как ESET, которые могут вызывать HDAC-независимую активность замалчивания (Yang et al., 2003; Yang et al., 2002).
(2) Комплекс NuRD связывает histone deacetylase активность с др. хроматин ремоделирующим активностями (Denslow and Wade, 2007). В дополнение к HDAC1/HDAC2, комплекс NuRD содержит Mi-2, a helicase-like ATPase семейства SWI/SNF , обладающую хроматин ремоделирующей активностью, а также methyl CpG-binding domain (MBD) белок, которыей связывает deacetylase комплекс с метилированием ДНК. Подобно SIN3, многочисленные подтипы комплекса содержат специфические изоформы основных компонентов.

Fig. 2. Functional domains of HDAC1/HDAC2 proteins. Schematic view of the human HDAC1 and HDAC2 proteins as representatives for HDAC1-like and HDAC2-like proteins. Both share a highly conserved N-terminal part harbouring the HDAC association domain (HAD) important for protein-protein interaction as well as the catalytic domain (HDAC domain) essential for enzymatic function. Common to HDAC1/HDAC2 is an IAC(E/D)E motif required for the interaction with pocket proteins. Interaction between HDAC1 and the ubiquitin ligase Chfr depends on two amino acids within the HDAC domain (F287; M297). The C-terminus exhibits more diversity: while HDAC1 harbours a nuclear localisation signal (NLS), HDAC2 contains a coiled-coil domain for protein-protein interaction. Both enzymes are targets for posttranslational modifications such as phosphorylation, acetylation and sumoylation, which are thought to have influence on enzyme activity, protein stability, complex formation and nuclear import.

Более того, могут быть рекрутированы дополнительные хроматин модифицирующие энзимы, такие как arginine histone methyltransferase PRMT5 (Le Guezennec et al., 2006). Закрепление комплекса на промоторах мишеней завершается несколькими транскрипционными факторами.
(3) В противоположность SIN3 и NuRD комплексам, которые могут ассоциировать с разными транскрипционными факторами, комплекс CoREST рекрутируется на хроматин с помощью специтфического ДНК связывающего фактора. Белок REST/NRSF (RE1 silencing transcription factor/neuronal restricted silencing factor) соединяется с консервативным в 23bp мотивом ДНК, известным как RE1 (repressor element 1, известен также как NRSE) (Chong et al., 1995; Schoenherr and Anderson, 1995), который обнаруживается в огромном количестве генов, кодирующих фундаментальные свойства нейронов. Снова в качестве общей темы стержень комплекса может быть расширен др. модификаторами хроматина, такими как histone demethylase LSD1 (Lee et al., 2005) или histone methyltransferases SUVAR39H1 и G9a (Lunyak et al., 2002; Roopra et al., 2004; Shi et al., 2004). Родственный CoREST комплексу комплекс BRAF-HDAC (BHC), содержащий HDAC1/ HDAC2, BRAF35, CoREST, LSD1 (=BHC110) и Mi-2like белок BHC80 в качестве стрежневых компонентов.
(4) Комплекс NODE обнаруживается специфически в embryonic stem (ES) клетках и контролирует судьбы ES клеток путем репрессии генов-мишеней Nanog/Oct4. Он содержит белки, обнаруживаемые в нуклеосомы ремоделирующих комплексах, NuRD и SIN3, а также demethylase LSD1 и транскрипционный фактор Pml (Liang et al. , 2008).
(5) Недавно обнаружен комплекс, представленный HDAC1, heat shock protein HSPA2, SHIP1, тестис специфическим белком, обладающим предположительно ДНК связывающими и хроматин ремоделирующими свойствами, и KCTD19, др. тестис-специфический белок, обнаруженный в сперматоцитах (Choi et al., 2008).
Помимо этих HDAC1/HDAC2 содержащих белковых комплексов ряд др. мультипротеиновых комплексов с разными прирожденными ферментативными активностями, рекрутирует HDAC1/HDAC2: Polycomb repressive complex 2 (PRC2) обеспечивает триметилирование гистона H3 по лизину K27 (H3K27me3) в генах мишенях для Polycomb group (PcG) и может также рекрутировать HDAC1/HDAC2 (Grimaud et al., 2006). Вариант Polycomb repressive complex 1 (PRC1), наз. CHRASCH, ответственен за поддержание структуры репрессивного хроматина и ингибирование транскрипции, он также содержит HDAC1 (Huang and Chang, 2004). Более того, взаимодействие между Drosophila Hdac1 и комплексом, включающим histone demethylase Lid, недавно описанный белок trithorax group (trxG) (Lee et al., 2009). DNMT1, вместе с pRb, E2F1 и HDAC1 формирует комплекс, который репрессирует транскрипцию с чувствительного к E2F промотора (Robertson et al., 2000). Наконец, HDAC1/ HDAC2 взаимодействует с разнообразными модификаторами репрессивного хроматина, такими как histone methyltransferase SUV39H1 (Czermin et al., 2001; Vaute et al., 2002) и DNA methyltransferases DNMT1 (Fuks et al., 2000), DNMT3A (Fuks et al., 2001), DNMT3B

Fig. 3. Composition of HDAC1/HDAC2 containing multiprotein complexes. The SIN3 complex is comprised of HDAC1 and HDAC2 delivering enzymatic activity and the structural components SIN3, RbAp46, RbAp48, SAP18, SAP30 and SDS3. RbAp46, RbAp48, HDAC1 and HDAC2 are also found in the NuRD complex, together with the NuRD specific factors MTA, Mi-2, p66 and MBD. Both complexes are tethered to DNA via numerous transcription factors (not illustrated). The CoREST complex consists of CoREST, MeCP2, SIN3, HDAC1, HDAC2 and is targeted to DNA via the REST protein. Besides those three classical HDAC complexes, a testis specific complex containing SHIP1, HDAC1, HSPA2 and KCTD19 has been identified recently. In ES cells the transcription factors Nanog and Oct4, together with associated proteins interact with HDAC1 and HDAC2 and several other members of the SIN3, NuRD, CoREST and SWI/ SNF complexes. Note that the schematic view does not mirror physical interaction of the subunits.

(Geiman et al., 2004) и DNMT3L (Deplus et al., 2002). Итак, несколько ключевых свойств рекрутирования HDAC1/HDAC2 становятся очевидными: (1) HDAC1/HDAC2-обусловливаемая deacetylase активность прикрепляется к мишеням с помощью различных хроматин-связывающих белков. Сюда входят транскрипционные факторы с ДНК специфическими последовательностями, а также белки, распознающие определенные модификации хроматина. Последний сценарий, по-видимому, подкрепляется петлями обратной связи между гистоновыми модификациями и гистоновыми модификаторами. (2) Если не происходит непосредственного рекрутирования с помощью транскрипционных фаткоров, то HDAC1/HDAC2 доставляется в виде части мультипротеиновых комплексов. (3) Эти комплексы часто содержат белки с дополнительными хроматин ремоделирующими или гистон модифицирующими активностями. Следовательно, точный состав комплекса тонко контролирует специфичность и биологический результат рекрутирования HDAC1/HDAC2 и скорее всего отличается для разных генов мишеней. (4) Одной из функций HDAC1/HDAC2 как члена мультипротеиновых комплексов может быть "подготовка" хроматина для последующих модификаций, осуществляемых с помощью др. энзимов, ассоциированных с тем же самым комплексом (напр., прежде метилирования гистона, д. быть удалены acetyl частицы). (5) Наконец, очевидно, что молчание, вызываемое мультипротеиновыми комплексами с варьирующими энзиматическими активностями гарантирует определенную прочность и ведет к репрессии множественных слоёв.
Несмотря на высокую степень изменчивости и взаимодействия внутри HDAC1/HDAC2-содержащих комплексов, получена всё же важная информация о HDAC1/HDAC2-зависимых процессах.

Early embryonic expression of HDAC1 and HDAC2


Экспрессия HDAC1/HDAC2 во время эмбриогенеза была изучена у разных организмов. HDAC1/HDAC2 экспрессируется повсеместно, однако уровни мРНК и белка варьируют между видами и на ранних эмбриональных стадиях. В модельных системах, подробно проанализированных, HDAC1/ HDAC2 предоставляются материями и обнаруживаются сразу как начинается эмбриональная транскрипция (Dufourcq et al., 2002). В ходе более позднего эмбриогенеза экспрессия HDAC1/HDAC2 становится пространственно ограниченной определенными регионами начинающегося органогенеза. У некоторых видов экспрессия HDAC1 выражена в развивающейся области головы, включая ЦНС и головной мозг (Damjanovski et al., 2000; Mannervik and Levine, 1999; Mottus et al., 2000; Pillai et al., 2004). Наиболее заметно у цыплят G. gallus, HDAC1 обнаруживает наиболее заметную экспрессию в виде "hotspot" на хвостовом кончике открытой нервной трубки, которая уменьшается после закрытия нервной трубки (C. Murko and O. Pusch, Medical University of Vienna, personal communication). Интересно, что HDAC2 распределен наиболее широко, это указывает на функциональную диверсификацию двух генов паралогов.

Early embryonic patterning


HDA-1 in the development of Caenorhabditis elegans


Как упоминалось выше, C. elegans обладает двумя генами (hda-1 и hda-3), которые обнаруживают сходство с HDAC1/HDAC2, но подробно проанализирована только функция HDA-1: ингибирование материнской и зиготическойHDA-1с помощью RNAi ведет к аресту эмбрионального развития на стадии одной складки и к эмбриональной гибели (Shi and Mello, 1998), хотя большинство клеток обнаруживает ткане-специфическую дифференцировку и соотв. организацию тканевых слоёв. Когда истощается белок HDA-1 на первой личиночной стадии за счет всасывания dsRNA, черви становятся стерильными и формируют эктопическую вульву (multivulval или Muv фенотип) (Solari and Ahringer, 2000). Авт. показали с помощью исследования генетических взаимодействий, что hda-1 действует в обоих из двух функционально перекрывающихся путях (synMuvA и synMuvB), вместе с др. членами комплекса NuRD. Удивительно, но ни hda-3, ни HDAC3 гомолог hda-2, по-видимому, не участвуют в этом процессе. Проанализированы последствия зиготической инактивации HDA-1 у C. elegans. Получены hda-1 генетические мутанты и продемонстрировано, что белок важен для собственно гонадогенеза и индукции вульвы; клетки соматических гонад присутствовали и дифференцировались, однако соотв. ткани были дезорганизованы и животные были стерильны. Индукция вульвы была нарушена: за счет нарушения клонального выбора определенными клетками и воспроизводился уже описанный multivulval фенотип. В др. сообщении из той же лаб. показано, что HDA-1 может играть роль в регуляции генов, ассоциированных с ткане-специфическими функциями (Whetstine et al., 2005). Анализ микромассивов у мутантных червей показал, что HDA-1 является ключевым регулятором генов, участвующих в биологии extracellular matrix (ECM). Наконец, с помощью деплеции HDA-1 у L3 личинок с помощью RNAi, Choy с коллегами установили роль hda-1 в развитии сенсорных лучей у самцов (Choy et al., 2007).

Hdac1 in the development of Drosophila melanogaster and polycomb group-mediated silencing


Формирование раннего эмбрионального паттерна вдоль передне-задней оси у Drosophila управляется с помощью экспрессии транскрипционных факторов в строго определенной пространственной и временной последовательности: сначала гены с материнским эффектом устанавливают градиент вдоль передне-задней оси, это ведет к экспрессии gap генов в широких полосах. Разные концентрации продуктов gap генов вызывают транскрипцию генов pair-rule, которые подразделяют эмбрион на периодические единицы (т.e. полоски), которые в дальнейшем усовершенствуются с помощью периодической экспрессии генов сегментной полярности. В то же самое время эти транскрипционные факторы взаимодействуют, чтобы регулировать гомеозисные гены, которые детерминируют судьбу каждого сегмента. Наконец, поддержание состояний экспрессии гомеозисных генов принимают на себя белки групп Polycomb и trithorax, после чего первоначальные транскрипционные регуляторы исчезают.
Из некоторых недавних исследований стало ясно, что Hdac1 (единственный HDAC1/HDAC2-подбный ген у Drosophila; также известный как Rpd3) играет важную роль на многих уровнях процесса развития.

TABLE 1 DROSOPHILA HDAC1 SHOWS GENETIC INTERACTION WITH VARIOUS GENES IMPORTANT IN DEVELOPMENT

Included are corepressors, transcription factors (TFs), histone methyltransferases (HMTs), and members of the Polycomb (PcG) and trithorax (trxG) gene groups. In most cases, (direct or indirect) biochemical interaction was demonstrated. ND, not determined; PRC1, Polycomb repressive complex 1; (m), interaction of mammalian homologs.

Гомозиготные нулевые мутации летальны на личиночной стадии. Летальность сопровождается варьирующими фенотипами типа pair rule, при которых обычно нечетные числа абдоминальных сегментов теряются (Mannervik and Levine, 1999). Гены pair rule fushi tarazu ( ftz) и odd skipped (Balasubramaniyan et al., 2006) неправильно регулируются, это подчеркивает роль Hdac1 как кофактора для even skipped ( eve) репрессора, др. pair rule регулирующего экспрессию ftz и odd. Однако др. показали, что Hdac1 необязателен для eve-обеспечиваемой репрессии odd и предположили, что основная роль Hdac1 заключается в поддержании eve- и runt-индуцированной репрессии скорее, чем становления самих паттернов репрессии (Wheeler et al., 2002). Недавние исследования показали, что Hdac1 участвует в регенерации имагинальных дисков (McClure and Schubiger, 2008) и замалчивании проапоптических генов reaper и hid во время эмбриогенеза (Zhang et al., 2008).
Во время поздних стадий развития дрозофилы разные функции Hdac1 были исследованы посредством скрининга генетических взаимодействий. Были идентифицированы многочисленные партнеры по взаимодействию с Hdac1, включая корепрессоры, транскрипционные факторы, гены группы Polycomb и др. (see Table 1). Большинство из этих генетических взаимодействий было подтверждено в биохимическом исследовании партнеров по взаимодействию в тех же комплексах.
Удивительно, но Drosophila Hdac1 кооперирует с генами PcG в репрессии некоторых генов мишеней. Это обнаруживается не только в комплексах с некоторыми белками PcG, но и обнаруживается также существенное перекрывание в хромосомной локализации на политенных хромосомах (Chang et al., 2001; Tie et al., 2001; Tie et al., 2003). Однако примечательно, что это перекрывание не полное и многочисленные гены мишени для PcG обычно не зависят от активности HDAC. Также локализация Hdac1 не ограничивается генами мишенями для PcG, это подчеркивает её роль как более общего регулятора транскрипции. Детальный анализ паттернов локализации с высоким разрешением по всем хромосомам (напр. посредством ChIP-sequencing) может помочь выяснить точную роль Hdac1 в PcG-обеспечиваемом молчании генов у Drosophila и др. организмов.

HDAC1 and HDAC2 in the development of Mus musculus


Hdac1 и Hdac2 являются близко родственными генами у мышей, которые кодируют два энзима с высоким сходством последовательностей (Khier et al., 1999). Оба энзима часто обнаруживаются в одних и тех же мультипротеиновых комплекса, указывая на то, что HDAC1 и HDAC2 могут выполнять сильно перекрывающиеся функции. Интересно, что разрушение Hdac1 (Lagger et al., 2002; Montgomery et al., 2007) или экспрессия C-терминальной мутантной версии HDAC1 (Ashe et al., 2008) достаточны, чтобы вызывать тяжелые эффекты на эмбриональное развитие. Рост эмбрионов задержан, обнаруживается несколько дефектов развития, такие как нарушение формирования головы и аллантоиса и они гибнут до 10.5 дня беременности. Эмбриональная летальность сопровождается пониженной скоростью пролиферации и повышенным уровнем cyclin dependent kinase (CDK) ингибиторов p21 WAF1/CIP1 и p27 KIP1 в ES клетках (Lagger et al., 2002). Интересно, что дополнительная потеря p21 WAF1/ CIP1 восстанавливает пролиферативный фенотип HDAC1-дефицитных ES клеток (Zupkovitz et al., manuscript submitted). Напротив, онтогенетический фенотип HDAC1-дефицитных эмбрионов не затрагивается дополнительным устранением p21 WAF1/CIP1, указывая тем самым, что др. гены вносят вклад в онтогенетические аномалии. В согласии с этим, идентифицированы многие гены, участвующие в дифференцировке и развитии в качестве мишеней для HDAC1 (Zupkovitz et al., 2006).
Следовательно, источник неспособности развития HDAC1-дефицитных мышей нуждается в дальнейших исследованиях. В резком контрасте с существенной ролью HDAC1 во время эмбриогенеза то, что истощение HDAC2 не вызывает фенотипических отклонений во время раннего развития (Montgomery et al., 2007; Zimmermann et al., 2007). Эти находки подчеркивают критический набор генов мишеней регулируется исключительно HDAC1 во время эмбриогенеза. Альтернативно, что HDAC1 и HDAC2 выполняют сходные функции, но количества белка HDAC2 недостаточно для компенсации отсутствия HDAC1. Соотв., HDAC1 белок экспрессируется на достоверно более высоких уровнях, чем HDAC2 в ES клетках (Jennifer Jurkin and Christian Seiser, unpublished data). Делеция или either HDAC1 или HDAC2 в широком наборе тканей не влияет на жизнеспособность (Montgomery et al. , 2007) (Christian Seiser, unpublished results), указывая тем самым на перекрываемость функций HDAC1 и HDAC2 во многих типах клеток.

Neurogenesis


In vitro systems


Первые сообщения об участии HDACs в нейрональной дифференцировке базировались на экспериментах с использованием общего HDAC inhibitor (HDI) trichostatin A в PC12 линии клеток (Futamura et al., 1995; Sano and Kitajima, 1996). Кстати разнообразные HDIs были протестированы на нескольких культуральных клеточных системах, обладающих или ингибирующими или вспомогательными эффектами на рост нейронов.
Недавние исследования выявили непосредственное участие HDAC1/HDAC2 в nerve growth factor (NGF)-обеспечиваемой дифференцировке, репрессии экспрессии нейрональных генов и в апоптозе или жизнеспособности нервных клеток. В 2005, Bai and сотр. связали HDAC2 со специфической функцией в NGF-индуцированной дифференцировке PC12 клеток крыс (Bai et al., 2005). Др. компонент аппарата эпигенетического молчания, DNA methyltransferase 3b (DNMT3b), как было показано, является критическим для роста нейритов. DNMT3b-зависимая дифференцировка обеспечивается рекрутированием HDAC2. Особенно заметное репрессивное действие комплекса DNMT3b/HDAC2 было обнаружено независимо от DNMT3b ферментативной активности, указывающее ием самым на центральную роль HDAC2. Лежащий в основе механизм скорее всего использует рекрутирование HDAC2 и DNMT3b на промоторы генов мишеней, чтобы поддержать молчание генов, которые предупреждают дифференцировку нейронов. Те же авт. верифицировали свою гипотезу, что DNMT3b/HDAC2 репрессорный комплекс способствует дифференцировке нейронов с помощью идентификации T-Cadherin (T-Cad) в качестве гена мишени, регулируемого с помощью DNMT3b/HDAC2 (Bai et al., 2006). Также работая с NGF-обеспечиваемой дифференцировкой PC12 клеток, Zhang с коллегами показали, что HDAC1/HDAC2 рекрутируются с помощью укороченной версии p73, члена семейства p53 белков опухолевых супрессоров, репрессируя тем самым промотор NGF-high affinity рецептора TrkA (Zhang and Chen, 2007). Авт. продемонстрировали, что супрессия TrkA посредством ΔNp73/HDAC1/ HDAC2 комплекса ослабляет NGF-обеспечиваемый MAP kinase путь и ведет к блокированию выростов нейритов. Эта находка может внести существенный вклад в понимание механизма патогенеза нейробластом, т.к. высокие уровни TrkA and ΔNp73 оказались связанными с плохим прогнозом у пациентов с нейробластомой.
HDAC1 также, по-видимому, участвует в регуляции жизнеспособности нейронов посредством E2F-обеспечиваемой генной репрессии в кортикальных нейронах и PC12 клетках крыс (Liu and Greene, 2001). Некоторые исследования показали, что

Fig. 4. Chromatin state of neuronal genes in distinct stages of differentiation. In embryonic stem cells, neuronal genes with an internal RE-1 DNA element are associated with REST, its corepressor CoREST and additional factors such as SIN3A, HDAC1/HDAC2 and MeCP2. Although neuronal gene expression is almost entirely abolished, the chromatin is poised for consecutive activation. In addition to the core CoREST complex, inducers of heterochromatin are recruited to neuronal genes in differentiated non-neuronal cells. Due to recruitment of heterochromatic protein-1 (HP1), histone demethylase LSD1, histone methyltransferases SUVAR39H1/G9a as well as DNA methyltransferase1 (DNMT1), neuronal specific gene expression is completely inhibited and heterochromatin formation is induced. In terminally differentiated neuronal cells, REST is proteasomally degraded, thereby relieving the repressive chromatin state. Polymerase recruitment by activator complexes leads to expression of neural specific genes. This schematic view does not mirror physical interaction of the subunits.

апоптические стимулы, подобные повреждениям ДНК способствующие активности CDK4/6 и последующему гиперфосфорилированию pRb, ведут к дерепрессии апоптических генов мишеней для E2F в нервных клетках (Liu and Greene, 2001; Park et al., 1997; Park et al., 1996). Liu с коллегами установили, что член семейства карманных белков p130 в комплексе с E2F4 рекрутирует HDAC1 и histone methyltransferase SUV39H1, репрессируя тем самым про-апоптические гены, такие как B-myb. Вследствие апоптических стимулов в постмитотических нейронах комплекс p130/E2F4/HDAC1/Suv39H1 отсоединяется от про-апоптического B-myc промотора, запуская апоптоз и гибель нейронов. Недавно histonedeacetylase related protein (HDRP) , как было показано, выполняет нейрозащитную функцию в культивируемых гранулярных нейронах мозжечка посредством своего взаимодействия с HDAC1 (Morrison et al., 2006). HDRP приобретает активность HDAC благодаря рекрутированию HDAC1, и в кооперации предупреждается ассоциированная с апоптозом экспрессия c-jun.

HDAC1 and HDAC2 in neuronal multiprotein complexes


HDAC1/HDAC2-содержащие мультипротеиновые комплексы обладают важными функциями в регуляции экспрессии нейрональных генов. Среди них, CoREST комплекс действует как критический регулятор нейрональных специфических генов (Chong et al., 1995; Schoenherr and Anderson, 1995), кодирующих, напр., ионные каналы, белки синаптических пузырьков и рецепторы нейротрансмиттеров. CoREST регулирует переходы от плюрипотентных стволовых клеток к предшественникам нейронов и от них к зрелым нейронам (Ballas et al., 2005). ДНК связывающий компонент CoREST, REST/NRSF, обеспечивает репрессию транскрипции нейрональных генов мишеней посредством рекрутирования HDAC1/ HDAC2 посредством корепрессоров mSIN3 и CoREST в не-нейрональных клетках (Ballas et al., 2001; Grimes et al., 2000; Humphrey et al., 2001; Naruse et al., 1999; Roopra et al., 2000; You et al., 2001). Более того, др. эпигенетические факторы молчания, подобные MeCP2, HP1, G9a, SUVAR39H1, LSD1 (Lunyak et al., 2002; Roopra et al., 2004; Shi et al., 2004) и DNMT1 (Ballas and Mandel, 2005) рекрутируются на REST/NRSF-чувствительные гены, чтобы необратимо замалчивать экспрессию нейрональных генов в не-нейрональных клетках (Fig. 4). Интересно, что хроматин REST/NRSF-чувствительных генов в эмбриональных стволовых клетках и нейрональных предшественниках лишен метилирования ДНК и индукторов рекрутирования гетерохроматина, таких как HP1 или histone methyltransferases (Ballas and Mandel, 2005). Т.к. HDAC1/ HDAC2, mSIN3 и REST/NRSF всё ещё ассоциируеют с RE1 элементами в стволовых клетках, то эти эпигенетические модификаторы обеспечивают обратимое, но пермиссивное состояние молчания хроматина, готовое для последующей активации. Эта модель подтверждается тем фактом, что ингибирование активности HDAC ведет к экспрессии REST/NRSF-чувствительных генов (напр., neuroD) в клетках нейральных предшественников взрослых крыс (Hsieh et al., 2004), но не в дифференцированных не-нейральных клетках (Ballas et al., 2005). Следовательно, HDAC1 и HDAC2, по-видимому, важные игроки в поддержании пластичности REST/NRSF чувствительных нейрональных генов.
BRAF-HDAC complex (BHC) (Hakimi et al., 2002) отличается от HDAC1/HDAC2-содержащего мультипротеинового комплекса, родственного каноническому CoREST комплексу и участвует в замалчивании нейрональных генов. Комплекс BHC также рекрутируется на RE1 сайты REST-чувствительных генов посредством корепрессора CoREST, подтверждая родственную функцию у обоих комплексов.

HDAC1 and HDAC2 in the embryonic nervous system


Большая часть наших знаний о функции HDAC1/HDAC2 в эмбриональной нервной системе получена в исследованиях с использованием рыбок данио. В результате исследований инсерционного мутагенеза было предположено, что hdac1 является регулятором множественных онтогенетических процессов в эмбрионе (Golling et al., 2002). Два исследования 2004 выявили Hdac1-зависимые нарушения развития в результате детальной характеристики плейотропных фенотипов (Cunliffe, 2004; Pillai et al., 2004). Анализ выявил тяжелые нейрональные аномалии, такие как неспособность образования нейронов и глиальных клеток в заднем мозге, потеря сегментной организации пост-митотических нейронов и ассоциированных глиальных клеток, накопление нейрональных предшественников и драматический дефицит branchiomotor нейронов (Cunliffe, 2004). Авт. идентифицировали Hdac1 как критический репрессор Notch-responsive transcriptional repressor her6, вызывающий ингибирование экспрессии пронейральных генов.
Потеря HDAC1 ведет к нарушению пролиферации нескольких контекстов развития позвоночных (Lagger et al., 2002) , а HDIs , как было показано, вызывает арест роста в различных опухолях и клеточных линиях (Johnstone and Licht, 2003; Yang and Seto, 2007). Однако этот эффект является регион- и ткане-специфическим, поскольку Hdac1 способствует выходу из клеточного цикла и последующей нейрональной дифференцировке в сетчатке рыбок данио (Stadler et al., 2005; Yamaguchi et al., 2005). Yamaguchi с сотр. описали Hdac1 мутантных рыбок данио, обладающих тяжелыми дефектами дифференцировки нейрональной сетчатки и постоянно пролиферирующими клетками нейрональных предшественников. Авт. предложили модель, где Hdac1 репрессирует канонический путь Wnt, а также передачу сигналов Notch в развивающейся сетчатке рыбок данио, способствуя тем самым выходу из клеточного цикла и инициации нейрогенеза в сетчатке рыбок данио. В соответствии с этими данными др. мутантные рыбки обнаруживали полное восстановление за счет избыточной экспрессии антагонистов канонического Wnt пути (Nambiar and Henion, 2004). Недавно надежные доказательства были получены, что Hdac1 не только регулирует передачу сигналов канонического Wnt, но и также действует как позитивный регулятор неканонического Wnt/PCP пути, контролирующего аксиальное удлинение (Nambiar et al., 2007). Более того, Hdac1 необходим для дифференцировки меланофор, происходящих из нервного гребня благодаря репрессии гена foxd3 (Ignatius et al., 2008).
Наконец, Hdac1 участвует также в регуляции онтогенетических сигнальных каскадов, таких как Hedgehog и Fgf8 во время эмбрионального эмбриогенеза (Cunliffe, 2004; Cunliffe and Casaccia-Bonnefil, 2006; Plaster et al., 2007). Plaster с коллегами предоставили доказательства для in vivo функции REREa/ Hdac-обусловленной транскрипционной репрессии, способствующей передаче сигналов Fgf, и тем самым формированию паттерна теленцефалона и поддержанию границы между средним и задним мозгом (Plaster et al., 2007). Cunliffe и Casaccia идентифицировали Hdac1 в качестве важного фактора дифференцировки клеток нейрональных предшественников в олигодендроциты за счет облегчения обусловленной hedgehog экспрессии маркеров олигодендроцитов olig2.
На мышах MacDonald и Roskams показали, что HDAC1 и HDAC2 экспрессируются в нейральных предшественниках и стволовых клетках (MacDonald and Roskams, 2008). Поразительно, но после клональной спецификации или в глиальные клетки или нейробласты и пост-митотические нейроны, HDAC1 и HDAC2 обнаруживают взаимоисключающую экспрессию. Следовательно, после комбинированной экспрессии в общих предшественниках HDAC1 и HDAC2 обнаруживают специфические функции во время спецификации клонов.
Zinovyeva с коллегами идентифицировали важную функцию для C. elegans hda-1 во время нейрогенеза у развивающихся эмбрионов. Мутация hda-1 обусловливала высоко пенетрантный, фенотип нескоординированных движений с тяжелыми дефектами нахождения путей аксонами и фасцикуляцией нервного ствола и миграции нервных клеток (Zinovyeva et al., 2006).

Myogenesis and cardiogenesis


HDAC1 и HDAC2 in skeletal muscle differentiation


Переход от недифференцированных, пролиферирующих скелетных мышечных клеток к зрелым многоядерным мышечным трубкам управляется набором транскрипционных факторов, которые обладают потенциалом включать транскрипцию специфичных для дифференцировки генов. Среди них MyoD играет важную роль в выходе дифференцирующихся клеток из клеточного цикла за счет позитивной регуляции ингибиторов cyclin dependent kinase (CDK) и активации специфичных для мышц генов. MyoD постоянно экспрессируется в недифференцированных мышечных трубках, а также в дифференцирующихся миобластах; тем не менее, он неспособен действовать как активатор транскрипции в недифференцированных миобластах. Точный механизм того, как активность MyoD регулируется остается неясным, хотя недавняя работа продемонстрировала, что контроль активности MyoD, по крайней мере, частично выполняется с помощью HDAC1/HDAC2-зависимого механизма. Используя мышиную клеточную модельную систему миогенеза, Mal с коллегами установили, что белок MyoD ацетилируется только после дифференцировки. HDAC1 и HDAC2 соединяются с MyoD в миобластах (Mal et al., 2001; Puri et al., 2001) , чтобы ингибировать ацетилирование белка MyoD и хроматина генов мишеней для MyoD (Mal and Harter, 2003), поддерживая тем самым состояние молчания. После дифференцировки HDAC1/HDAC2 отделяется от MyoD с помощью гипофосфорилированного pRb белка (Puri et al., 2001), и это отделение делает возможным соединение histone acetyltransferase PCAF с MyoD. Возникающее в результате ацетилирование MyoD, а также хроматина генов мишеней дляMyoD индуцирует активацию транскрипции мышце-специфических генов. В свою очередь, pRb связывает E2F, приводя к репрессии E2F-заивисмых генов, влияя тем самым на ход клеточного цикла.
Др. транскрипционный фактор, существенный для миогенеза, MEF2, как было установлено, рекрутирует class II HDACs, чтобы репрессировать мышце-специфические гены в миобластах. Однако имеются сообщения, показывающие участие HDAC1/HDAC2 в этом процессе посредством CABIN1/ MITR-зависимого рекрутирования на MEF2 (Backs and Olson, 2006).

HDAC1 and HDAC2 in heart development


Два сообщения выявляют критическую роль HDAC1/HDAC2 в морфогенезе, росте и функционировании сердца (Montgomery et al., 2007; Trivedi et al., 2007). Интересно, что обе лаб. использовали технику нокаута, чтобы инактивировать HDAC2 у мышей, одна группа собщила от постнатальной гибели всех детенышей, погибших в течение первых 25 дней. Выжившие были маленькими, летаргическими восстанавливались спустя 2 мес. и затем развивались нормально. В обоих случаях постнатальная летальность был связана с аномалиями морфологии сердца, таких как утолщение стенки желудочков (из-за повышенной пролиферации), уменьшенные размеры полсти желудочков и с изменением экспрессии плодных кардиальных генов. Остальное расхождение было связано с пенетрантностью фенотипа постнатальной гибели. Возможной причиной может быть различие в генетическом фоне использованных мышей в двух исследованиях. Альтернативно, мутации HDAC2, создаваемые частичной делецией гена, могут приводить к образованию гипоморфного аллеля или экспрессии укороченного белка, обладающего доминантно негативными свойствами в одном из описанных случаев. Чтобы ответить, может ли летальный фенотип HDAC2 нокутных мышей отражать клеточно-автономную функцию HDAC2 в кардиомиоцитах группа Eric Olson's условно делетировала ген HDAC2 в кардиомиоцитах. Такие мыши были жизнеспособны и не обнаруживали серьёзных аномалий в сердце, подтверждая витальную функцию HDAC2 во множественных клеточных клонах сердца. Напротив комбинированная делеция HDAC1 и HDAC2 в кардиомиоцитах давала строгий фенотип: мыши погибали на 14 день после рождения и обнаруживали кардиальные аритмии и тяжелую дилятацию желудочков. Причиной, по-видимому, является повышенная экспрессия определенных Ca2+ ионных каналов, вызывающая патологический приток Ca2+ и повышенную экспрессию контрактильных белков, специфичных для скелетных мышц. Итак, эти данные демонстрируют важную и частично перекрывающуюся функцию HDAC1/HDAC2 в развитии сердца.

Haematopoiesis


Во время гематопоэза все кровяные и иммунные клетки организма генерируются из общих лимфоидных или миэлоидных клеток предшественников. Гематопоэтические транскрипционные факторы, такие как GATA-1, GATA-2, NF-E2, EKLF, Tal-1/SCL, C-myb или PU.1 рекрутируются на клон-специфические гены и тем самым детерминируют судьбу клеток предшественников. Большинство из этих транскрипционных факторов оперируют как транскрипционные активаторы или репрессоры за счет одинакового рекрутирования histone acetyltransferases (HATs) и HDACs и контроля переключения генной экспрессии для предопределения судеб клеток.
Использование HDIs четко показывает, что обратимое ацетилирование является важным механизмом терминальной дифференцировки, напр., для B клеток (Lee, 2003). Кроме того, HATs и HDACs не ограничиваются модификациями гистонов, но также способны ацетилировать/деацетилировать гематопоэтические транскрипционные факторы. Как следствие, функция этих транскрипционных факторов модулируется благодаря зависимым от ацетилирования изменениям в межбелковых взаимодействиях, в сродстве связывания ДНК или в активации/репрессии транскрипции (Huo and Zhang, 2005). Действие histone deacetylases также важно для регуляции быстрого включения/выключения генной экспрессии генов. ответственных за собственно иммунные реакции. Недавнее сообщение указывает на HDAC1 как на члена репрессорного комплекса ZEB1/CtBP2 в регуляции cytokine IL-2 в покоящихся T клетках (Wang et al., 2009). Интересно, что применение бактериального суперантигена ведет к рекрутированию HDAC1, замалчиванию экспресси IL-2 и тем самым способствует толерантности и инертности T клеток (Kametani et al., 2008).

Haematopoietic regulators influenced by HDAC1 and HDAC2


The IKAROS zinc finger protein family: IKAROS and AIOLOS


Мастер регулятор раннего гематопоэза - это гематоспецифическое клеточно-специфическое семейство zinc fingerДНК-связывающих белков IKAROS, состоящее из IKAROS, AIOLOS, HELIOS, EOS и PEGASUS. IKAROS регулирует активность hematopoietic stem cell (HSC) и делает возможной дифференцировку в лимфоидный клон, но ограничивает детерминацию миэлоидных судеб (Georgopoulos, 2002). Следовательно, IKAROS может действовать как транскрипционный репрессор в дополнение к его функции как активатора транскрипции. В дифференцирующихся тимоцитах и зрелых T клетках, большинство белка IKAROS инкорпорируется в NuRD комплекс и в меньшей степени в SWI/SNF комплекс, представленный также HDAC1/HDAC2 (Kim et al., 1999). Т.к. NuRD комплекс содержит хроматин ремоделирующие, а также HDAC1/HDAC2 deacetylase активности, то предполагается регуляция "bivalent" хроматина. Этот бивалентный Ikaros/NuRD комплекс может предоставлять потенциал для позитивной и негативной регуляции транскрипции генов мишеней, это делает возможной клональную пластичность и способность к дифференцировке клеток гематопоэтических предшественников (Ng et al., 2007).
Недавно HDAC2 была идентифицирована как регулятор генов immunoglobulin IgM H-цепи и L-цепи в линии B клеток DT40. Авт. сообщили, что HDAC2 обладает позитивным влиянием на экспрессию IKAROS, AIOLOS, PAX5 и EBF1, которые затем репрессируют транскрипцию мРНК IgM H/L цепи (Nakayama et al., 2007). Дальнейшие исследования также показали участие HDAC2 в модуляции частот конверсии гена Ig (Lin et al., 2008), но осталось неясным HDAC2 вовлекается непосредственно или действует посредством косвенно регуляции др. факторов.
Разрушение AIOLOS у мышей ведет к увеличению pro-B и незрелых B клеток и к тяжелому уменьшению периодических изменений B клеток (Wang et al., 1998). AIOLOS , по-видимому, также контролирует апоптоз (Romero et al., 1999), обладает супрессирующей опухоли функцией и участвует в аутоиммунных заболеваниях (Wang et al., 1998). Интересно, что некоторые сплайс-варианты разных AIOLOS дифференциально экспрессируются и инкорпорируются в SIN3 и Mi-2/ NuRD комплексы, приводя к повышенной специфичности и тонкому контролю действия AIOLOS (Caballero et al., 2007).

Erythroid Kruppel-like factor (EKLF)


Транскрипционный фактор EKLF экспрессируется в эритроидных, мегакариотических и тучных (mast) клетках (Turner and Crossley, 1999). Было показано, что EKLF является критическим для обеспечения переключения на высокие уровни экспрессии взрослого β globin во время созревания эритроидных клеток человека и мышей. Прямое ацетилирование EKLF с помощью CBP/P300 стимулирует рекрутирование комплекса SWI/SNF ремоделирования хроматина и приводит к образованию ERC-1 ( EKLF co-activator remodelling complex 1) комплекса (Zhang and Bieker, 1998). рекрутирование ERC-1 ведет к активации транскрипции локуса β globin. Напротив, Chen с сотр. продемонстрировали, что EKLF напротив взаимодействует с mSIN3A/HDAC1 причем действуя как репрессор транскрипции. Т.к. EKLF обусловленная транскрипционная репрессия может быть достигнута с помощью активности HDI TSA, то активность HDAC, по-видимому, существенна для ингибирования экспрессии генов мишеней (Chen and Bieker, 2001).

Growth factor independence-1 (GFI-1)


GFI-1 и GFI-1b кодируют zinc finger транскрипционные репрессоры, предположительно действующие как регуляторы клеточной гибели и клеточного цикла в гематопоэтических клетках. Недавно Saleque с коллегами показали, что CoREST, LSD1 и HDAC1/HDAC2 рекрутируются с помощью GFI-1B и затем репрессируют гены мишени для GFI in vivo (Saleque et al., 2007). Этот механизм, по-видимому, гарантирует клон-специфическую дифференцировку клеток, возникающих из общих миэлоидных предшественников.

Diseases associated with haematopoietic transcription factors


PU.1


Из Ets семейства транскрипционный фактор PU.1 преимущественно экспрессируется в В клеточных и macrophage клонах, тогда как его экспрессия в эритроидных предшественниках может приводить к erythroleukemia у мышей (Ben-David and Bernstein, 1991). Считается, что PU.1 обеспечивает баланс пролиферации и дифференцировки клеток гематопоэтических предшественников, наиболее вероятно за счет регулирования состояния ацетилирования гематопоэтических транскрипционных факторов и гистонов (Huo and Zhang, 2005). Биохимические исследования 293T клеток человека показали, что PU.1 ассоциирует с SIN3A/HDAC1 и эффективно репрессирует гены мишени, такие как c-myc (Kihara-Negishi et al., 2001). Позднее сообщалось, что PU.1 непосредственно взаимодействует с methyl CpG-binding protein MeCP2, который в свою очередь рекрутирует SIN3A/HDAC1 (Suzuki et al., 2003). Этот комплекс, как полагают, предупреждает экспрессию гена β globin в недифференцированных erythroleukemia клетках мышей.

Stem cell leukemia factor TAL1 (SCL)


Basic helix-loop-helix транскрипционный фактор TAL1 экспрессируется на высоком уровне в эритроидных клетках и играет критическую роль во время эритроидной дифференцировки. Аберрантная экспрессия TAL1 в T лимфоцитах сцеплена с acute T cell leukaemia (T-ALL). Huang с коллегами показали, что TAL1 взаимодействует с SIN3A/HDAC1 в мышиных erythroleukemia и человеческих T-ALL клетках, предупреждая клеточную дифференцировку (Huang and Brandt, 2000). Следовательно, репрессия транскрипции, обеспечиваемая с помощью TAL1/SIN3A/HDAC1, участвует в эритроидной дифференцировке, а также в развитии лейкоза. Итак, HDAC1/HDAC2 широко используется в регуляции экспрессии гематопоэтических генов, в основном посредством своего присутствия в корепрессорных комплексах. Эпигенетические модификации, по-видимому, обеспечивают важные способы приобретения клеточной спецификации и детерминации клеток во время гематопоэтического развития. В 2005, Cowley с коллегами идентифицировали компонент хроматин модифицирующих комплексов, mSIN3A, важный для развития T клеток (Cowley et al., 2005). Было бы интересно истощить и др. члены хроматин модифицирующих комплексов, такие как HDAC1/HDAC2 в гематопоэтической системе.

Epithelial differentiation


Эпителиальные структуры обычно выстилают полости и поверхности, чтобы поддерживать существенные функции, такие как секреция, избирательная проницаемость и защита ткани. Tou с коллегами выявили функцию HDAC1/HDAC2 во время эпителиального и кишечного развития у млекопитающих (Tou et al., 2004). Т.к. уровни белка HDAC1/HDAC2 были достоверно снижены примерно на ст. E15, то авт. предположили, что в этот временной промежуток созревание нуждается в экспрессии клон-специфичных генов, прежде репрессированных с помощью HDAC1/HDAC2. В самом деле в ответ на избыточную экспрессию HDAC1/HDAC2 в ex vivo эксплантах кишечника, эпителиальные специфичные для кишечника маркерные гены достоверно снижались, тогда как ингибирование HDAC ускоряло дифференцировку кишечника. Поэтому было предположено, что подавление HDAC1/HDAC2 во время эпителиальной дифференцировки кишки состояние хроматина переключается в направлении активной конформации, делающей возможной экспрессию специфичных для эпителиального клона маркерных генов.

Epithelial-mesenchymal transition


Интересным свойством эпителиальных клеток является их способность к epithelial-mesenchymal transitions (EMTs) (Moustakas and Heldin, 2007). Во время EMT, эпителиальные клетки разъединяют свои соединительные структуры, экспрессируют специфичные для мезенхимы белки, ремоделируют свой внеклеточный матрикс и становятся подвижными, чтобы дать новый тип ткани по ходу эмбриогенеза. Одним из обязательных свойств во время EMT является потеря E-Cadherin , который появляется не только в гаструлирующих эмбрионах, но и также при злокачественных трансформациях ткани (Peinado et al., 2007). Возможными регуляторами E-Cadherin являются члены сверхсемейства Snail транскрипционных репрессоров. Чтобы достичь репрессии промотора E-Cadherin и последующей индукции EMT, SNAIL1 рекрутирует SIN3A/HDAC1/HDAC2 комплекс посредством своего SNAG домена в клетках мышей (Hemavathy et al., 2000; Peinado et al., 2004).У эмбрионов Drosophila Snail ассоциирует с корепрессором CtBP (C-terminal binding protein), чтобы осуществить свою репрессорную функцию (Nibu et al., 1998), тогда как домен взаимодействия с CtBP отсутствует в белках SNAIL мыши и человека. CtBP репрессорный комплекс содержит также HDAC1/HDAC2, CoREST, G9a и LSD1 , которые способны индуцировать изменения в гистоновых модификациях и последующей репрессии гена E-Cadherin in vivo (Shi et al., 2003).

Wnt signalling via β-Catenin


Передача сигналов Wnt посредством β-Catenin и его ядерного партнера T cell factor/lymphoid enhancer factor (TCF-LEF) также участвует в EMT во время гаструляции, морфогенеза, а также различных онтогенетических процессов и злокачественных трансформаций (Hoppler and Kavanagh, 2007; Kikuchi et al., 2006; Logan and Nusse, 2004; Luo et al., 2007; Willert and Jones, 2006). Важным свойством канонической передачи сигналов Wnt является стабилизация ядерного β-Catenin и его ассоциации с TCF-LEF high mobility группой транскрипционных факторов, которые обеспечивают транскрипционную регуляцию генов мишеней для Wnt/β-Catenin. В отсутствии передачи сигналов Wnt эти гены удерживаются молчащими с помощью CtBP или Groucho/TLE корепрессорных комплексов (Willert and Jones, 2006). Groucho/TLE репрессорный комплекс содержит TCF, Groucho, histone H1 и HDAC1 и первоначально был идентифицирован у Drosophila (Chen et al., 1999). Активация генов мишеней для TCF/LEF с помощью β-Catenin нуждается в двухступенчатом механизме. Первая ступень связана с отделением HDAC1 от LEF-1 и как следствие промоторы генов мишеней инактивируются, но готовы к активации. Как только HDAC1-зависимая репрессия снижается, то β-Catenin соединяется с LEF-1 и активирует нижестоящие гены мишени передачи сигналов Wnt (Billin et al., 2000). Olson с коллегами идентифицировали др. неожиданную стратегию для β-Catenin для регуляции детерминации клеточных клонов в гипофизе (Olson et al., 2006). В этой ткани β-Catenin взаимодействует с ткане-специфическим гомеодоменовым фактором Prop1 скорее. чем с TCF/LEFs, активируя тем самым ген Pit1 . Одновременно β-Catenin репрессирует paired-подобный гомеодоменовый фактор Hesx1 за счет рекрутирования TLE/Groucho/HDAC1/Reptin корепрессорных комплексов. Этот механизм, как полагают, генерирует разные типы клеток из плюрипотентных предшественников в ответ на передачу сигналов Wnt во время органогенеза.

Deregulation of epithelial differentiation


Благодаря высокой скорости оборота эпителиальных клеток в организме, существует постоянный пул эпителиальных стволовых клеток и клеток предшественников. Характерным признаком стволовых клеток является самообновление, которому способствует, напр., передача сигналов Wnt в эпителиальных клетках кишечника. Растет количество работ,указывающих, что это самообновление эмбриональных стволовых клеток может быть источником мутантных клеток, приводящих к гиперпролиферации и формированию рака (Reguart et al. , 2005).
В разнообразных опухолях человека, таких как рак желудка, простаты, HDAC1 и HDAC2 избыточно экспрессируются, указывая на возможную функцию HDAC1/HDAC2 в начале и при прогрессировании раковых опухолей. Более того, HDIs используются для лечения опухолей, они приводят к аресту клеточного цикла, апоптозу и клеточной дифференцировке раковых клеток. Соответственно, исследования показали, что HDAC2-дефицитные мыши обнаруживают снижение показателя возникновения кишечных опухолей (Zimmermann et al., 2007).

Outlook


Thanks to the work of numerous laboratories we have gained considerable knowledge on the role of HDAC1/HDAC2 in development and differentiation in recent years. It is becoming clear that an extensive number of developmental decisions and differentiation programs depend on HDAC1/HDAC2 as cofactors. Often they act as part of bigger multiprotein complexes and HDAC activity is only one of several enzymatic activities. It will be a major challenge in the future to dissect the exact mode how individual target genes are regulated by multilayered silencing mechanisms and how different enzymatic activities interact and depend on each other. Combining systematic interaction screens, biochemical analyses and high-throughput technologies (as e.g. ChIP-sequencing) will be of great value to precisely define the contribution of HDAC1/HDAC2. The use of novel, more specific inhibitors will also be instrumental for a comprehensive and straightforward identification of target genes in different organisms, lineages and developmental stages. As a complementary strategy, analysing the increasing number of genetic mutants for HDAC1/HDAC2 in different organisms and tissues – from null alleles to point mutations – will allow to specifically address open questions of HDAC1/HDAC2 biology as e.g. substrate specificity, cell type specific functions, cross regulatory mechanisms, regulation of protein stability, activity and the influence of posttranslational modifications.
Finally, a better understanding of developmental decisions depending on HDAC1/HDAC2 will enable a rational use of HDAC inhibitors to modulate differentiation processes perturbed in numerous pathological situations.
Сайт создан в системе uCoz