экспрессия гистонов H1, H2A, H2B, H3 и H4
регулируется как в транскрипции, так и после
уровень транскрипции, и происходит преимущественно в
S-зависимая и зависимая от репликации ДНК
мода. GAPDH, который превращает глицеральдегид
3-фосфат в 1,3-бисфосфоглицерат в глико-
литический путь, напрямую взаимодействует с октамер-связывающим
белок 1 (OCT1; также известный как POU2F1), а также
белок NPAT, который является субстратом G1 / S-специфических цик-
комплекс lin E – CDK2 и широко участвует в гистоне
транскрипция гена 91, GAPDH избирательно набирается
к промотору H2B в фазе S и имеет важное значение для
Специфическая для S- фазы транскрипция гена H2B (HIST1H2B)
в естественных условиях и в пробирке. Эта активность GAPDH стимулирует
на основе NAD +, но запрещен NADH91. Хотя
Точная роль GAPDH в трансактивации этого гена
еще предстоит выяснить, это исследование связано HIST1H2B
активация транскрипции к регуляторам клеточного цикла и
GAPDH, что указывает на то, что ядерный GAPDH
играет роль в соединении экспрессии гена гистона и
Репликация ДНК.
Инозин 5 ' монофосфат - дегидрогеназы. В
de novo синтез пуриновых нуклеотидов, инозина
5'-монофосфат (ИМФ) является точкой разветвления
олит для синтеза гуанина или аденина
нуклеотиды. В пути гуаниновых нуклеотидов два
ферменты участвуют в превращении IMP в GMP:
IMPDH и GMPS (см. Ниже). IMPDH катализирует
НАД + -зависимое окисление ИМП до ксантозина
монофосфат (XMP). GMPS затем катализирует
Аминирование XMP до GMP. IMPDH-катализируется
реакция является первым совершенным и ограничивающим скорость шагом
к биосинтезу гуаниновых нуклеотидов de novo и
имеет решающее значение для поддержания клеточного гуанина дезокси-
нуклеотидные и рибонуклеотидные пулы, необходимые для ДНК
|
|
и синтез РНК и пролиферация клеток. IMPDH
высоко экспрессируется при раке человека 92, Хотя
IMPDH в значительной степени цитоплазматический, во время фазы G2
клеточного цикла или при репликативном или окислительном стрессе,
IMPDH накапливается в ядре, где он функционирует
как фактор транскрипции и связывает
элементы ДНК, богатые CT, независимо от
его каталитическая активность. IMPDH связывается и репрессирует
экспрессия генов гистонов и E2f, мастер-драйвер
перехода G1 / S, тем самым ингибируя пролиферацию клеток
чество93. Таким образом, IMPDH, как нуклеотидный биосинтет
фермент, способствует пролиферации клеток. Однако под
стрессовые условия, ядерный IMPDH действует как транскрип-
фактор, чтобы регулировать экспрессию генов для репрессии
пролиферации клеток 93, Две мутации замещения в
субдомен цистатион-β-синтазы (CBS)
IMPDH1, которые связаны с
Сомально-доминантный пигментный ретинит, нарушение нуклеиновых
кислотосвязывающая, но не ферментативная активность93, предлагая
что неспособность мутанта IMPDH связываться с ДНК
способствует заболеванию человека.
Гуанозин-5-монофосфатсинтаза. Кроме
метаболическая функция в преобразовании XMP в GMP,
GMPS также играет неметаболическую роль, в результате чего он образует
комплекс с ядерной убиквитин-специфической обработкой
протеаза 7 (USP7). Комплекс GMPS-USP7 действует как
ко-репрессор транскрипции, который необходим для
лизирование дубиквитилирования опухолей человека
сор р53 и гистон H2B и эпигенетическое молчание
гомеотические гены PRC1 и PRC2 94, 95, К тому же,
|
|
у мух GMPS-USP7 связывается с рецептором экдизона,
локализуется в локусах, регулируемых экдизоном, и действует как селективный
транскрипционный ко-репрессор экдизона, индуцируемый
гены96. Эти результаты показали сотрудничество между
метаболический фермент и убиквитин протеаза в
развитие гормон-рецептор-опосредованного развития
экспрессия генов
Метионин-аденозилтрансфераза. MAT, также известный
как SAM синтетазы, производит SAM с метионином
и спс. В качестве донора метила SAM позволяет
катализируемое трансферазой метилирование цитозинов в ДНК
и остатков аргинина и лизина в различных белках,
включая гистоны.
В дрожжах активность МАТ включена в
Серин-чувствительный SAM-содержащий метаболический фермент
(СЕЗАМ) комплекс, который также содержит Pyk1, ser-
метаболические ферменты и ацетил-КоА-синтетаза.
Комплекс метилтрансферазы Set1 H3K4 взаимодействует
с SESAME и требует синтезированного SAM из
СЕЗАМ для триметилирования H3K4 и последующих
Pyk1-опосредованное фосфорилирование H3T11 74.
Три различные формы MAT (MATI, MATII и
MATIII) были идентифицированы у млекопитающих. МАТИ
и MATIII являются генными продуктами MAT1A, тогда как
MATII кодируется геном MAT2A. MATIIα является
каталитическая субъединица MATII и ингибируется ассо-
циация с регуляторной субъединицей MATIIβ 97. MATIIα
локализуется в ядре и взаимодействует с членами
хроматина-модифицирующего и хроматина-ремоделирующего
комплексы, в том числе белки группы Polycomb,
NuRD комплекс, комплекс SWI / SNF и ППА, а также
с онкогенным фактором транскрипции MAFK. MATIIα
набирается в элемент распознавания MAFK на
|
|
Ген HMOX1, который кодирует гемоксигеназу 1,
необходимый фермент в катаболизме гем. Каталитическая активность
MATIIα, а также его взаимодействующие факторы, включая
MATIIβ, BRG1-ассоциированный фактор 53A (BAF53A; также
известный как ACTL6A), хромодомен-геликаза-ДНК-
связывающий белок 4 (CHD4) и PARP1, необходимый для
Репрессия HMOX1 и позитивная регуляция гема
уровни, но точные механизмы для этого подавления
не известны. Следует отметить, что метилтрансферазная активность была
обнаружен в ядерном комплексе MATIIα, предполагая,
что MATIIα-связанные гистон метилтрансферазы являются
участвует в метилировании гистонов для регуляции экспрессии генов
Sion. Действительно, после истощения MATIIα, H3K4me2 и
Уровни H3K9me2 снижаются в локусе HMOX1,
с последующей дерепрессией HMOX1 (ReF. 97). Таким образом,
MATII служит ко-репрессором транскрипции MAFK,
посредством чего MATIIα взаимодействует с регуляторами хроматина,
такие как гистон метилтрансферазы и поставляет SAM для
последующее метилирование гистонов.
Ацетил-КоА синтезирующие ферменты. Последние исследования
продемонстрировать, что ферменты, участвующие в ацетил-КоА
тезис, такой как ACSS2 (ReFs 98,99), ACLY100, 101 и PDC 102,
транслоцировать в ядро, чтобы регулировать экспрессию генов.
Это создает резкий контраст с преобладающей догмой, которая
помещает эти ферменты в митохондрии или цитоплазму,
где они проводят свои обычные метаболические функции
в цикле TCA и синтез жирных кислот и липидов.
У S. cerevisiae Acs2p, ортолог ACSS2, является
находится в ядре клеток, выращенных в богатых средах103,
Дефицит Acs2p вызывает глобальное деацетилирование гистонов,
ингибирование транскрипции и дефекты роста в HAT
фон мутанта. Быстрое деацетилирование гистонов
после инактивации Acs2p предполагает, что ядерный Acs2p-
опосредованный синтез ацетил-КоА ограничивает скорость
ацетилирование гистона103.
Метаболический стресс, такой как ограниченный запас глюкозы
Cose и ацетат, распространен в быстро растущих опухолях
и индуцирует ядерную транслокацию цитозольного ACSS2;
этот процесс опосредуется фосфорилированием ACSS2
S659 от AMPK, воздействие NLS ACSS2 и суб
последовательное связывание ACSS2 с importin α5 (ссылка 98). в
ядро, ACSS2 взаимодействует с транскрипционным фактором EB
(TFEB) - мастер регулятора лизосомальной и аутофагии
Гены. Эти два белка связываются во взаимозависимой
образом, к промоторам генов-мишеней TFEB, где
ACSS2 преобразует ацетат, генерируемый HDAC-опосредованным
деацетилирование гистона в ацетил-КоА, который рециркулирует
HATs для локального ацетилирования гистона H3 при TFEB-чувствительном
промоутеры98, 104. Эти результаты показывают, что ACSS2 использует
Изет ацетат, который генерируется HDAC-опосредованным глобальным
деацетилирование гистонов для локального получения ацетил-КоА для
поддерживать локальное ацетилирование гистонов, тем самым способствуя
экспрессия генов лизосом и аутофагии и суб-
существующий лизосомальный биогенез и аутофагия (рис. 5а, слева
панель). Увеличение аутофагии и лизосомальной деградации
может обеспечить опухолевые клетки альтернативными источниками
питательные вещества для выживания опухолевых клеток и были показаны
способствовать онкогенезу мозга у мышей. Соответственно,
анализ астроцитомы и глиобластомы человека
Плес выявил прямую корреляцию между ACSS2 S659
фосфорилирование и агрессивность опухоли98,105выше
портирование критической роли ядерного ACSS2 в индукции
определенной группы генов для противодействия
стресс и поддержка роста опухоли.
Целевая экспрессия гена регулируется ядерным ACSS2
также наблюдается в регуляции пластичности нейронов в
мышей99, В дифференцирующихся нейронах и в гиппокам-
гной, ядерный ACSS2 вместе с ацетилтрансферазой
CBP рекрутируется в промоторные области памяти
родственные нейрональные гены, где он поддерживает гистон ацетил-
активность, экспрессия генов и опосредованный гиппокамп
долговременная консолидация памяти. ACSS2 истощение
особенно в спинном гиппокампе резко
снижает производительность мыши в новом объекте распознавания
задача99, предполагая, что потеря ACSS2-опосредованного
ацетилирование гистонов в нейронах гиппокампа приводит к
нарушение консолидации памяти (рис. 5а, правая панель).
Следовательно, этот путь может быть многообещающим романом
терапевтическая мишень при различных психоневрологических расстройствах
в том числе возрастное снижение памяти 106, болезнь Альцгеймера
болезнь107- 109 и расстройства, связанные с употреблением психоактивных веществ110- 114.
В дополнение к их роли в ацетилировании гистонов,
ядерные ферменты синтеза ацетил-КоА могут способствовать
ацетилирование транскрипционных факторов. Было показано
что ACSS2 увеличивает ацетилирование HIF2α, в результате чего
в образовании и рекрутировании комплекса HIF2α – CBP
Этот комплекс к гену эритропоэтина
(ЭПО) энхансер115. Примечательно, что добавка
Тейт, который является субстратом ACSS2, увеличивает EPO
экспрессии, вызывая более высокие уровни гематокрита в
ACSS2-зависимый способ 115, Таким образом, ацетат
Ментация обеспечивает потенциальный подход к лечению
острые и хронические анемичные состояния. К тому же,
Сигнализация ACSS2-HIF2α-CBP также активна и
требуется для пролиферации опухолевых клеток во время гипоксии
и в присутствии низкого уровня глюкозы116.
В целом, в ответ на различные сотовые сигналы
сигналы, ядерный ACSS2 может образовывать различные комплексы с
регуляторы транскрипции. ACSS2 может затем поддерживать
порт ацетилирования своих взаимодействующих партнеров, а также
гистоны. Состав и модификации таких
ACSS2-содержащие белковые комплексы определяют их
набор в промоутер регионов с разными наборами
генов, чтобы координировать и локально поддерживать гистон
ацетилирование и активировать специфическую экспрессию генов
программы.
При избытке питательных веществ и кислорода
ACLY является основным источником ацетил-КоА. ACLY
был обнаружен в ядре, хотя ему не хватает
канонический NLS, и механизм, лежащий в основе его
ядерная локализация остается плохо изученной 100,
ACLY-зависимое производство ацетил-КоА
повышает уровень ацетилирования гистонов и селективный
регуляция генов, участвующих в метаболизме глюкозы
во время клеточного ответа на стимулятор факторов роста
и во время дифференцировки адипоцитов101 (рис. 5б,
левая панель).
ACLY также играет роль в реакции повреждения ДНК.
При воздействии ионизирующего излучения ACLY
Мутулирует в ядрах в фазах клеточного цикла S и G2
(при восстановлении путем гомологичной рекомбинации (HR)
одобрено) 100. AKT киназа, которая активируется
Атаксия-телеангиэктазия мутированная (АТМ) киназа в ответ
к двухцепочечным разрывам ДНК, фосфорилирует ACLY
на S455 и увеличивает его каталитическую активность. активированная
ACLY увеличивает вызванное повреждением ДНК ацетилирование
H4K16 в нуклеосомах, фланкирующих сайты ДНК,
разрывы нитей, что способствует исключению
TP53-связывающий белок (53BP1) и рекрутинг
от рака молочной железы типа 1 восприимчивость белка (BRCA1),
тем самым продвигая HR 100 (рис. 5бправая панель)
PDC является локализованным в митохондриях мультиферментом
сложный. Тем не менее, был найден PDC для входа в
ядро в ответ на стимуляцию с ростом
торсы, онкогенная передача сигналов и митохондриальный стресс.
Ядерный PDC также был обнаружен на разных стадиях
эмбриогенеза 102, 117,118, PDC было предложено
от митохондрий до ядра в
сплетение с белком теплового шока 70 (HSP70) 102, ядерной
PDC способствует ацетилированию H3K9 и H3K18,
фосфорилирование белка ретинобластомы и экспрессии
Сон транскрипционного фактора E2F, циклин A и CDK2
(Исх.102), которые важны для развития клеточного цикла.
Кроме того, было обнаружено, что ядерный PDC формирует
комплекс с р300 и ПКМ2 (Реф. 80). Этот комплекс
специально набирается в области энхансеров
AhR-нацеленные гены AhR-зависимым образом
и ацетилирует H3K9, чтобы управлять экспрессией гена 80. Эти
результаты предполагают сотрудничество между ядерным метаболизмом
ферменты, в результате чего PKM2 производит местный пируват для
включить PDC-опосредованное местное производство ацетил-КоА и
ацетилирование гистона р300 (ссылка 80) (фиг. 5с)).
В целом, ацетил-КоА, продуцируемый
пулы ACSS2, ACLY и PDC103, 104не только регулярно
позднее глобальное ацетилирование гистонов и экспрессия генов
но также модулирует локальное ацетилирование гистона и
экспрессия конкретных генов, которые способствуют
клеточный ответ на доступность питательных веществ, разные
внеклеточные сигналы или стрессы. Это ядерное производство
ацетил-КоА регулируется в зависимости от
внеклеточные и внутриклеточные раздражители, посттрансляционные
модификации ферментов синтеза ацетил-КоА и
динамическая регуляция ядерной локализации и хрома
Матин рекрутинг этих ферментов в комплексе с
различные транскрипционные ко-регуляторы.
Выводы и перспективы
Тесная интеграция и взаимное регулирование между клетками
метаболизм и экспрессия генов имеют решающее значение для
клеточная деятельность Немедленное изменение
ферментативная активность и субклеточная локализация
метаболических ферментов происходит в ответ на наличие
питательные вещества, факторы роста и цитокины, а также физио-
логические и патологические стимулы. Эти изменения не только
отвечать на клеточные метаболические потребности путем прямого регулирования
метаболизма, но также регулируют клеточный гомеостаз,
рост, распространение, выживание и многие другие функции
перепрограммируя экспрессию генов. Метаболические продукты
из этих ферментов, таких как ацил-КоА, SAM, фумарат,
сукцинат, 2-HG, NAD +, NAM и кетоновые тела, либо
действовать непосредственно как субстраты для ДНК или гистоновых модификаций
или модулировать активность ДНК-модификации и
гистон-модифицирующие ферменты. В дополнение к их происхождению
определенно метаболические роли, метаболические ферменты могут
выполнять неметаболические функции, такие как действуя как
протеинкиназы для прямого фосфорилирования гистонов или
компоненты генной транскрипции, в том числе
факторы транскрипции и ко-активаторы транскрипции.
Кроме того, локализованные в ядре метаболические ферменты могут
образуют комплексы с транскрипционными факторами и гистоном
писатели, читатели и резинки.
Учитывая характер быстрый, точный, динамичный
и комплексное регулирование передается путем метаболизма
ферменты и их метаболиты, мы ожидаем больше мета-
желчные ферменты, которые имеют функции в ядре, чтобы быть
обнаружено. Важно отметить, что обнаружение ядерного
функции метаболических ферментов и метаболитов
привести к связанной с болезнью модуляции хроматина и
изменения в экспрессии генов пролят свет на
механизмы, лежащие в основе развития болезни и воли
сделать эти ферменты перспективными целями для новых
апевтические вмешательства. Как обсуждалось на протяжении
Обзор, накапливающий доказательства, указывает на то, что аберрант
взаимная регуляция обмена веществ и экспрессии генов
способствует развитию опухоли (рис. 6). Например,
активация сверхэкспрессированного или мутированного рецептора тиро-
сининкиназы приводят к ядерной транслокации PKM2
и ядерная PKM2-опосредованная экспрессия генов через
посттрансляционные модификации гистонов и транса
коэффициенты написания 66, 71, 72. Ядерный α- KGDH – KAT2A
комплекс действует как гистон H3 сукцинилтрансферазы для
увеличить экспрессию многих онкогенных генов и
способствовать опухолевой84, Аналогично, местный ацетил-КоА
производится ядерной ACSS2 и ACLY регулирует его
Ацетилирование тона, чтобы способствовать развитию опухоли
и HR репарация повреждения ДНК, вызванного облучением,
соответственно 98. Существует также сильная связь между
генез опухолей и изменения в экспрессии генов
регулируется фумаразной активностью85,86,88,89. Высокий фумарат
уровни, локально продуцируемые ядерной фумаразой, способствуют
JMJC-зависимая репарация NHEJ, вызванная облучением
Повреждение ДНК и геномная стабильность. Ядерная фума-
rase также регулирует гены, вовлеченные в рост клеток
арест вниз по потоку от ATF2 путем локального вмешательства
с деметилированием гистонов на промоторах ATF2.
O -GlcNAcylation хроматин-ассоциированной фумаразы,
который выделяется в опухолевых клетках, уменьшает
способность фумаразы взаимодействовать с ATF2, тем самым
противодействие задержке роста. В некоторых случаях рака
избыток клеточного фумарата, вызванный
связанная с этим потеря функции гена FH и
Последовательное возмущение цикла TCA приводит к
NRF2-опосредованная экспрессия антиоксидантных генов
продвигая сукцинилирование и инактивацию
KEAP1. Кроме того, высокий уровень фумарата вызвал
с помощью FH мутации, высокие уровни сукцината в результате
мутации потери функции в SDH и продуктивности
2-HG мутированным IDH1 и IDH2 ингибируют
α-KG-зависимые диоксигеназы для стимуляции хроматина
гиперметилирование, которое регулирует экспрессию генов в
опухолевые клетки 19, Разрушение ядерного входа и
функции этих метаболических ферментов в контексте
Таким образом, ожидается, что рак предоставит уникальные подходы
противодействовать развитию опухоли 119. структурная
выяснение связывания и пост-трансляционный
модификации ядерного белка и ДНК
страты ядерных метаболических ферментов будут способствовать
определение конкретных вмешательств, направленных на
их ядерный, а не цитозольный или митохондриальный
активность, тем самым обеспечивая избирательное лечение
заболевания человека без вмешательства в первичную
Роль этих ферментов в метаболических реакциях.