Посещений:
МОДИФИКАЦИИ ГИСТОНОВ

Общение Между Гистонами

The Language of Histone Crosstalk
Jung-Shin Lee, Edwin Smith, and AN Shilatifard
Cell V. 142, No 5, P. 682-685, 2010

It has been suggested that a specific pattern of histone posttranslational modifications and their crosstalk may constitute a code that determines transcriptional outcomes. However, recent studies indicate that histone modifications have context-dependent effects, making their interplay more like a language within the chromatin signaling pathway than a code.

REFERENCES
  • Cai, Y, Jin, J., Swanson, S.K., Cole, M.D., Choi, S.H., Florens, L., Washburn, M.P., Conaway, J.W., and Conaway, R.C. (2010). J. Biol. Chem. 285, 4268-4272.
  • Cheung, P., Tanner, K.G., Cheung, W.L., Sassone-Corsi, P., Denu, J.M., and Allis, C.D. (2000). Mol. Cell 5, 905-915. Choudhary, С., Kumar, С., Gnad, F„ Nielsen, M.L., Rehman, M., Walther, T.C., Olsen, J.V., and Mann, M. (2009). Science 325, 834-840.
  • Fischle, W., Tseng, B.S., Dormann, H.L., Ueberheide, B.M., Garcia, B.A., Sha-banowitz, J., Hunt, D.F., Funabiki, H., and Allis, C.D. (2005). Nature 438,1116-1122.
  • Guccione, E., Bassi, C., Casadio, F., Martinato, F., Cesaroni, M., Schuchlautz, H„ Luscher, В., and Amati, B. (2007). Nature 449, 933-937.
  • Kim, J., Guermah, M., McGinty, R.K., Lee, J.S., Tang, Z., Milne, T.A., Shilati-fard, A., Muir, T.W., and Roeder, R.G. (2009). Cell 137, 459-471.
  • Kirmizis, A., Santos-Rosa, H., Penkett, C.J., Singer, M.A., Vermeulen, M., Mann, M., Bahler, J., Green, R.D., and Kouzarides, T. (2007). Nature 449, 928-932.
  • Li, X., Wu, L., Corsa, C.A., Kunkel, S., and Dou, Y. (2009). Mol. Cell 36, 290-301.
  • Lo, W.S., Trievel, R.C., Rojas, J.R., Duggan, L., Hsu, J.Y., Allis, C.D., Marmor-stein, R., and Berger, S.L. (2000). Mol. Cell 5, 917-926. Martin, D.G., Baetz, K„ Shi, X., Walter, K.L., MacDonald, V.E., Wlodarski, M.J., Gozani, O., Hieter, P., and Howe, L. (2006). Mol. Cell. Biol. 26, 7871-7879.
  • Mateescu, В., Bourachot, В., Rachez, C., Ogryzko, V., and Muchardt, C. (2008). EMBO Rep. 9, 267-272.
  • Nakanishi, S., Sanderson, B.W., Delventhal, K.M., Bradford, W.D., Staehling-Hampton, K., and Shilatifard, A. (2008). Nat. Struct. Mol. Biol. 15, 881-888.
  • Shi, X., Hong, Т., Walter, K.L., Ewalt, M„ Michishita, E., Hung, Т., Carney, D., Pena, P., Lan, F„ Kaadige, M.R., et al. (2006). Nature 442, 96-99.
  • Shilatifard, A. (2006). Annu. Rev. Biochem. 75, 243-269.
  • Suganuma, Т., Gutierrez, J.L., Li, В., Florens, L., Swanson, S.K., Washburn, M.P., Abmayr, S.M., and Workman, J.L. (2008). Nat. Struct. Mol. Biol. 15, 364-372.
  • Taverna, S.D., llin, S., Rogers, R.S., Tanny, J.C., Lavender, H., Li, H., Baker, L., Boyle, J., Blair, L.P., Chait, B.T., et al. (2006). Mol. Cell 24, 785-796.
  • Wang, Y., Zhang, W., Jin, Y., Johansen, J., and Johansen, K.M. (2001). Cell 105, 433-443.
  • Wang, Y.L., Faiola, F., Xu, M., Pan, S., and Martinez, E. (2008). J. Biol. Chem. 283, 33808-33815.
  • Wang, Z., Zang, C., Cui, K., Schones, D.E., Barski, A., Peng, W., and Zhao, K. (2009). Cell 138, 1019-1031.
  • Zippo, A., Serafini, R., Rocchigiani, M., Pennacchini, S., Krepelova, A., and Oliviero, S. (2009). Cell 138, 1122-1136.
    • Почти 20 лет главным в области регуляции транскрипции было идентификация ДНК элементов. которые контролируют экспрессию генов. Эти попытки частично были мотивированы ожиданиями, что наступит день, когда можно будет увидеть ген и его регуляторные последовательности и предсказать где и когда ген будет транскрибирован. Тогда мы поняли, что помимо специфических последовательностей, связывающих активаторы и репрессоры, существует дополнительный мир факторов, которые модифицируют, взаимодействуют и ремоделируют хроматин, чтобы регулировать экспрессию генов. Идентификация большого числа гистоновых модификаций - некоторые коррелируют с активацией, некоторые с репрессией - привело к предположению, что модификации составляют код, который д. быть распознан транскрипционными факторами, чтобы определить транскрипционное состояние гена. Однако дополнительные исследования лишь добавили уровни сложности, выявив нюансы и интригующий язык, не точный код, как базу транскрипционной регуляции посредством хроматиновых сигнальных путей.

    Histone Crosstalk and Gene Activity


    В клетках эукариот экспрессия генов может регулироваться на уровне структуры хроматина. Многочисленные остатки в гистоновых хвостах и некоторые остатки в гистоновых глобулярных доменах могут быть модифицированы разными способами, включая ацетилирование, фосфорилирование, убиквитилирование и метилирование. Хорошо охарактеризованные посттрансляционные модификации, регулирующие структуру хроматина, это ацетилирование гистоновых N-терминальных хвостов, которое, как полагают, облегчает активацию транскрипции или путем нейтрализации заряда взаимодействия хвостов с ДНК или путем формирования сайта связывания для bromodomain-содержащих транскрипционных факторов, некоторые из которых могут ремоделировать нуклеосомы. Др. хорошо изученная гистоновая модификация это метилирование lysine 4 гистона H3 (H3K4), модификация обычно ассоциированная с транскрипционно активными генами и сайтом связывания для различных факторов, которые включают гистон-модифицирующую и -ремоделирующую активности (Shilatifard, 2006).
    Более сложные сценарии возникают, когда гистоновые модификации действуют комбинаторно контекст-зависимым способом, чтобы облегчить или репрессировать хроматином-обеспечиваемую транскрипцию. В некоторых случаях модификация одного остатка может изменить способность второго остатка оказаться задействованным с помощью модифицирующего его энзима(ов) (Figure 1). Первый пример гистонового общения попадает в эту категорию: фосфорилирование серина 10 гистона H3 стимулирует способность Gcn5 ацетилировать гистон H3 по лизину 14 (H3K14) (Cheung et al., 2000; Lo et al., 2000) (Figure 1 A). Др. хорошо охарактеризованный пример это потребность в моноубиквитилировании гистона H2B для собственно H3K4 метилирования с помощью H3K4 methylase комплекса COMPASS (Figure 1B) (Shilatifard, 2006). Этот процесс первоначально был открыт у дрожжей (Shilatifard, 2006), сегодня известен как чрезвычайно законсервированный у эукариот (Kim et al., 2009). Кроме того, недавно тщательный мутационный анализ всех гистоновых остатков выявил, что одиночная точковая мутация в гистоне H3K14, в сайте ацетилирования, приводит к специфической потере триметилирования H3K4, но не моно- или диметилирования (Nakanishi et al., 2008). Этот скрининг продемонстрировал также, что триметилирование H3K4 регулируется с помощью как зависимого, так и независимого от моноубиквитилирования процессов (Nakanishi et al., 2008).
    Принимая во внимание, что гистоны модифицирующие энзимы, часто обнаруживаются в мультисубъединичных комплексах, то модификация ближайших остатков может создавать сайты связывания для компонентов комплекса, помогая закреплять энзим на нуклеосоме. Напр., PHD finger of Yng1, субъединица NuA3 комплекса histone acetyltransferase, распознает метилированный H3K4 и помогает рекрутировать этот histone acetyltransferase комплекс для ацетилирования H3K14 (Martin et al., 2006; Taverna et al., 2006). Родственный Yng1 ING2 также может свзывать метилированный H3K4; однако он находится в histone deacetylase комплексе (Shi et al., 2006). Следовательно, метилированный H3K4 может служить приёмной площадкой для разнообразных гистон-модифицирующих энзимов с противоположными активностями.
    Модификации соседних остатков могут также предупреждать распознавание субстрата с помощью энзимов, которое, как недавно сообщалось, происходит, когда метилирование гистона H3 по arginine 2 (H3R2) мешает метилированию H3K4 с помощью Set1/COMPASS у дрожжей и с помощью COMPASS-подобных комплексов в клетках млекопитающих (Guccione et al., 2007; Kirmizis et al., 2007) (Figure 1B). Гистоновые модификации могут также предупреждать рекрутирование факторов иных, чем энзимы. Напр., heterochromatin protein 1 (HP1), который связывает метилированный H3K9, не может этого делать, если соседний серин 10 (H3S10) фосфорилирован во время митоза или во время активации генов (Fischle et al., 2005; Mateescu et al., 2008).
    Многие типы общения гистонов с использованием многочисленных гистон-модифицирующих комплексов, может возникнуть в любом гене. Основной задачей является понимание событий, которые регулируют изменения генной экспрессии посредством этих модификаций и общений. Одной из стратегий является определение профилей гистоновых модификаций по всему геному,

    Figure 1. Examples of Histone Crosstalk
    (A) The first characterized example of histone crosstalk is the stimulation of acetyltransferase activity of GCN5 toward the histone H3 tail by prior phosphorylation (P) of serine 10. Acetylation, Ac.
    (B) Crosstalk among histone modifications can span more than one histone. Monoubiquitination of histone H2B on lysine 120 of the C-terminal helix can lead to the trimethylation of lysine 4 in the histone 3 tail (H3K4) by Set1/ COMPASS. However, H3K4 methylation by COMPASS and COMPASS-like complexes can be blocked if the nearby arginine of H3 is already methylated.

    ожидая, что данный паттерн сможет предсказать исходы транскрипции, обусловленные рекрутированием специфических белков с помощью этих модификаций. Однако некоторые недавние примеры trans-histone общения иллюстрируют, что считывание транскрипционных данных зависит от контекста и времени, с помощью которых эти модификации вносятся. Короче говоря, пока наблюдения паттерна модификаций хроматина в локусе недостаточны для определения статуса экспрессии гена. Эти исследования предоставляют новую информацию о языке общения между гистонами.

    From Histone Phosphorylation to Transcription Elongation


    Новая форма общения недавно открыта Zippo с коллегами, которые исследовали транскрипционный контроль FOSL1, гена, активируемого в ответ на сыворотку (Zippo et a!., 2009) (Figure 2A). Они представили доказательства пути активации транскрипции, в котором фосфорилирование H3 хвостов ведет к ацетилированию H4 хвостов. В свою очередь, ацетилирование H4 хвостов необходимо для рекрутирования RNA Pol II positive transcription elongation factor, P-TEFb (Figure 2A). Ранее авт. установили, что активация гена FOSL1 нуждается в PIM1, протоонкогене, чья киназная активность активируется посредством передачи сигналов MAP kinase. Идентифицированы многочисленные клеточные субстраты для PIM1, включая H3S10. Другие H3S10 киназы, такие как MSK1 и MSK2 (MSK1/2), также сопричастны к фосфорилированию гистонов на генах, чувствительных к сыворотке, включая FOSL1. Zippo and colleagues установили, что пространственно-временной паттерн фосфорилирования H3S10 отличен для PIM1 и MSK1/2. MSK1/2 обеспечивают фосфорилирование H3S10 в промоторе FOSL1 в ранние моменты времени экспрессии гена, тогда как PIM1 необходим для фосфорилирования H3S10 в энхансере FOSL1 после MSK1/ 2-обусловленного фосфорилирования H3S10 (Figure 2A).
    Скрининг на др. гистоновые модификации, особенно ассоциированные с FOSL1 энхансером, показал, что ацетилирование H4K16 совпадает с фосфорилированием H3S10. RNA interference-обусловленный нокдаун PIM1 приводит к потере ацетилирования H4K16, подтверждая общение посредством хвостов фосфорилирования H3S10 с ацетилированием H4K16. Zippo and colleagues задались вопросом, рекрутируются ли 14-3-3 γ, ε, и ζ белки, связывающие фосфорилированные H3S10, на промотор и энхансер FOSL1 в ответ на сыворотку. Они установили, что 14-3-3ε and 14-3-3ζ рекрутируются как на промотор, так и энхансер FOSL1 после стимуляции сывороткой. Однако, 14-3-3 необходим для рекрутирования H4K16 histone acetyltransferase MOF только на энхансер, но не на промотор FOSL1. Рекрутирование MOF на энхансер вызывает ацетилирование H4K16, которая может быть закреплена с помощью bromodomain-содержащего белка, Brd4. Brd4 ассоциирует с P-TEFb, киназой, которая фосфорилирует Pol II,

    Figure 2. Context-Dependent Outcomes of Histone Crosstalk
    (A) Zippo and colleagues (Zippo et al., 2009) uncover a new form of histone crosstalk by studying the transcriptional control of FOSL1, a gene activated in response to serum. Activation requires the binding of PIM1 to the FOSL1 enhancer. PIM1 is a kinase responsible for phosphorylation (P) of serine 10 on the histone H3 tail (H3S10). Phosphorylated H3S10 creates a binding site for 14-3-3, a phosphoserine binding protein. Acetylation (Ac) of lysine 16 on the H4 (H4K16) tail occurs through interaction of 14-3-3 with the histone acetyltransferase MOF. Acetylated H4K16 can in turn form a binding site for the bro-modomain-containing protein Brd4, a component of P-TEFb, a kinase that phosphorylates the C-terminal domain of RNA Pol II to facilitate transcription elongation. However, at an earlier stage of serum stimulation, an MSK1/2 kinase is recruited to the promoter where it phosphorylates H3S10. 14-3-3 is then recruited to the promoter, but unlike the situation at the enhancer, MOF is not recruited to the promoter. Thus, the timing, location, and perhaps identity of the H3 kinase, and not the H3S10 modification alone, determines downstream events.
    (B) Another example of how the order of implementation of histone modifications can affect transcription comes from work from Wang et al. (2009). They report that despite correlations between histone acetylation and H3K4 methylation, artificially increasing acetylation through treatment of cells with deacetylase inhibitors (HDACs) does not lead to productive transcription, despite the presence of H3K4 methylation and Pol II recruitment. Therefore, patterns of histone modifications cannot simply be "read" but instead have distinct effects depending on the cellular context and upstream signaling events.

    чтобы облегчить транскрипционную элонгацию (Figure 2A). Т.о., Zippo and colleagues предположили, что общение между модификациями двух разных гистоновых хвостов регулирует производительную транскрипционную элонгацию посредством последовательного рекрутирования белков, которые связываются с этими модификациями.
    Возникает вопрос, почему фосфорилирование H3S10 вызывает разные результаты в энхансере по сравнению с промотором FOSL1 , даже если 14-3-3 рекрутируется на оба сайта. В энхансере, 14-3-3 рекрутирует histone acetyltransferase MOF. В промоторе, нет. Каковы же различия между 14-3-3 в промоторе и энхансере? Интересно, что 14-3-3ε и 14-3-3ζ , как полагают, регулируются посредством ацетилирования лизина (Choudhary et al., 2009) и acetyltransferase, Tip60, и преимущественно рекрутируются на промотор FOSL1. Единственная возможность заключается в том, что Tip60 ацетилирует 14-3-3 и предупреждает его взаимодействие с MOF.
    Др. интригующий аспект исследования Zippo and colleagues это связь между фосфорилированием H3S10 и ацетилированием H4K16. Эти две модификации ранее были связаны в исследованиях по дозовой компенсации у Drosophila. При компенсации дозы у дрозофилы MOF рекрутируется на кодирующую область X-сцепленных генов самцов, где она обеспечивает ацетилирование H4K16 в процессе, который, как полагают, облегчает транскрипционную элонгацию. Совместно расположена с MOF на X хромосоме самцов JIL-1 kinase, родственная MSK1/2 киназа, которая обеспечивает фосфорилирование H3S10 на этой хромосоме. В случае дозовой компенсации у дрозофилы рекрутирование JiL-1 kinase на Х хромосому самцов происходит позднее, чем ацетилирование H4K16 (Wang et al., 2001), обратный порядок добавления этих метор наблюдается для FOSL1 в ответ на сыворотку. Соотв., MOF комплекс, которые обусловливает ацетилирование кодирующих регионов, скорее всего отличается от MOF комплекса, который обеспечивает ацетилирование промотора и энзансера генов (Li et al., 2009). Т.о., по всем проявлениям жти два примера сосуществования фосфорилирования H3S10 и ацетилирования H4K16 не связаны в отношении их порядка реализации и их биологического значения. Это указывает на то, что описание паттернов гистоновых модификаций, без понимания механизмов, приводящих к реализации этих меток, необходимо интерпретировать с осторожностью. Важно, что исследования Zippo and colleagues начали определять роль гистоновых модификаций в активации FOSL1, с выяснением в пространстве и во времени, как каскады гистоновых модификаций могут приводить к определенным транскрипционным результатам.

    Trimethylation Converses with Acetylation


    Др. пример общения посредством хвостов предложен Wang et al. (2009). В этом случае коммуникации происходили между хвостами H3 и H4 и подобно примеру, приведенному Zippo et al. (2009), использовали ацетилирование H4K16 и транскрипцию FOSL1. Путем анализа профилей по всему геному некоторых histone acetyltransferases, deacetylases и модификаций, эти исследователи нашли связь между метилированием H3K4 и ацетилированием H4K16 в некоторых индуцибельных генах, включая FOSL1. Авт. показали, что субнабор транскрипционно молчащих генов, маркированных присутствием метилирования H3K4, обнаруживает заметное увеличение ацетилирования гистонов по H3K9 и H4K16 после добавления ингибиторов deacetylase. Напротив, молчащие гены, не маркированные метилированием H3K4, редко обнаруживали подобное увеличение в ответ на deacetylase ингибиторы.
    Чтобы определить, связано ли функционально метилирование H3K4 с ацетилированием H4K16, Wang and colleagues использовали RNA interference-обуслволенный нокдаун WDR5, общего компонента Set1 и MLL (mixed-lineage leukemia) COMPASS-like H3K4 methyltransferase комплексов. После нокдауна WDR5 они наблюдали снижение уровней ацетилирования гистонов в субнаборе транскрипционно молчащих генов, маркированных метилированием H3K4. Базируясь на этой информации, Wang and colleagues предположили, что метилирование H3K4 выделяет (primes) определенные гены для увеличения ацетилирования в H3K9 и H4K16. Интересно, что Wang and colleagues не учитывался тот факт, что WDR5 также является компонентом комплексов, которые могут ацетилировать H4K16 или H3K9. WDR5 ассоциирует с H4K16 acetyltransferase MOF в комплексе NSL7MSL1v (Cai et al., 2010; Li et al., 2009) , а также с H3K9/K14 acetyltransferase Gcn5 в комплексе ATAC (Suganuma et al., 2008; Wang et al., 2008). Поэтому эффект нокдауна WDR5 может быть следствием WDR5's роли, как субъединицы H3K4 methylases или WDR5's роли в качестве субъединицы H3 и H4 acetyltransferase комплекса или роли комбинации обоих. Учитывая, что WDR5 является частью H3 и H4 acetyltransferase комплексов, существование общения между H3K4 и H4K16 нуждается в дальнейшем исследовании.
    Одной из неожиданных находок исследования Wang and colleagues является редкая индукция в исследуемых генах, хотя Pol II рекрутируется после обработки deacetylase ингибитором (Figure 2B). Т.о., рекрутирование Pol II не ведет к ожидаемому увеличению транскрипции, несмотря на тот факт, что ацетилирование H3K9 и H4K16 увеличивается. Эти модификации совпадают с транскрипционной активацией FOSL1 после воздействия сывороткой (Zippo et al., 2009). Вместе с исследованиями фосфорилирования H3S10 и ацетилирования H4K16 в энхансере FOSL1, становится ясным, что знание механизма и времени этих модификаций необходимо для предопределения исхода транскрипции.

    The Emerging Grammar of Histone Crosstalk


    Существование кода гистоновых модификаций было предположено 10 тому назад в качестве способа для подхода к изучению быстро растущего количества гистоновых модификаий, связанных с регуляцией экспрессии генов, и др. базирующихся на ДНК процессах, таких как репликация, репарация и рекомбинация. Новые "слова" гистоновых модификаций были открыты и они продолжают появляться в интересных комбинациях. Однако открытие точной роли этих модификаций, выполняемой в экспрессии генов, было осложнено находками противоречащих примеров почти для каждого примера общения, таких как в случае H3K4 и H3K36 метилирования, рекрутирующих как histone acetyltransferases, так и deacetylases.
    Общей темой недавних исследований общения гистонов стало последовательность и мехмнизм добавления и удаления гистоновых модификаций, важных для транскрипционного считывания генов. Недавние примеры общения гистонов, которые были рассмотрены здесь, иллюстрируют эту точку зрения. В одном исследовании осуществление фосфорилирвоания H3S10 в двух разных местах с помощью двух разных энзимов и в разные моменты времени после стимуляции сывороткой оказывают несопоставимые эффекты на последующее ацетилирование в соотв. местах (Zippo et al., 2009) (Figure 2A). Zippo and colleagues предлагают механизм активации генов путем идентификации гистон-модифицирующих энзимов, гистоновых модификаций и набора белков. которые распознают эти модификации в гене FOSL1 после стимуляции сывороткой. В др. исследовании Wang and colleagues установили, что искуственно воссозданные гистоновые модификации, которые коррелируют с экспрессией генов, д. быть результатом рекрутирования RNA Pol II, но этого недостаточно для транскрипции (Figure 2B). Т.о., простое картирование паттернов гистоновых модификаций без понимания рекрутирования, регуляции и взаимодействий комплексов, восполняющих эти метки, недостаточно для понимания механизмов регулирующих экспрессию генов. Техника профилирования по всему геному сегодня широко используется, предоставляя возможность картирования гистоновых модификаций, энзимов, создающих этим метки, и факторов, которые рекрутируют их в разныъ экспериментальных условиях.
    Исследования регуляции генной экспрессии, вырастают из идентификации транскрипционных факторов и сайтов их связывания с учетом широко разнообразия др. связанных событий, ассоциированных с модификациями гистонов, которые упаковывают ДНК. Будущий прогресс потребует от нас выучить значительно больше того, какие слова, составляющие словарь общения гистонов, используются в определенном порядке, чтобы составить представление о граматике этого сложного языка.

    Сайт создан в системе uCoz