Книга: Биохимия старения

Модуляция модификаций хромосомных белков

Описанные выше реакции хромосомных белков катализируются специфическими ферментами. Поэтому факторы, изменяющие содержание, и активность этих ферментов, могут также изменять степень этих модификаций и, следовательно, структуру и функции хроматина. Кроме того, скорость и глубина модификаций, особенно тех, которые, подобно фосфорилированию и ацетилированию, характеризуются высокой обратимостью, могут регулироваться фосфатазами и деацетилазами соответственно. Содержание и активность этих ферментов в свою очередь контролируются набором других эффекторов.

Фосфорилирование хромосомных белков осуществляется протеинкиназами, которые обычно активируются сАМР. По-видимому, эти протеинкиназы имеют различную специфичность не только по отношению к гистонам и НГБ, но и по отношению к различным центрам гистонов. Протеинкиназы активируются сАМР, который синтезируется с помощью аденилатциклазы. Содержание сАМР зависит от фосфодиэстеразы (рис. 5.2). Таким образом, изменения в содержании и активности одного или нескольких ферментов влияют на скорость и уровень фосфорилирования [137]. Кроме того, уровень фосфорилирования регулируется также содержанием фосфатаз. Свойственна ли фосфатазам специфичность, как протеинкиназам, неизвестно.

Фосфорилирование хромосомных белков катализируется специфическими протеинкиназами, которые стимулируются сАМР in vitro [213] и in vivo [214]. сАМР-зависимая протеинкиназа из молочной железы коровы фосфорилирует гистоны, богатые лизином, но неактивна в отношении гистонов, богатых аргинином [28]. Кальций ингибирует аденилатциклазу, и поэтому в его присутствии содержание сАМР уменьшается [38]. Вместе с тем он стимулирует гуанилатциклазу и увеличивает содержание cGMP [132]. Поэтому изменение содержания кальция может приводить к изменению содержания циклических нуклеотидов, что в свою очередь может оказывать влияние на активность протеинкиназ и, следовательно, на степень фосфорилирования белков [204]. Содержание кальция в крови и тканях в различных физиологических условиях различно, причем оно изменяется с возрастом [246]. От него зависит фосфорилирование хромосомных белков. В экспериментах in vitro показано, что кальций ингибирует фосфорилирование гистонов из полушарий большого мозга и стимулирует фосфорилирование НГБ [182]. Кальций, будучи катионом, способен вытеснять гистоны из хроматина, взаимодействовать с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК [76] и, таким образом, изменять ее матричную активность. Как одновалентные, так и двухвалентные катионы (Na⁺, K⁺ и Mg²⁺) ингибируют фосфорилирование гистонов [256], причем ингибирование Mg²⁺ следует из того, что он связывается с АТР. Было показано, что Zn²⁺ способствует образованию аномально высокого количества фосфорилированного гистона Н1, ингибируя активность Н1-гистон-фосфатазы [324].

На фосфорилирование хромосомных белков влияют некоторые стероиды [234]; гидрокортизон, например, стимулирует их фосфорилирование [364], причем он усиливает фосфорилирование гистонов, богатых как лизиновыми, так и аргининовыми остатками [264]. Дексаметазон стимулирует фосфорилирование гистонов Н1 и Н2А клеток HeLa в G₁- и S-фазах. Стимулирующий эффект в большей степени проявляется у гистона Н2А [292]. Гидрокортизон повышает степень фосфорилирования НГБ в дискретных хромосомных локусах, вслед за чем увеличивается синтез РНК [314]. Эстрадиол стимулирует синтез специфических НГБ в матке [346]. Это подтверждается экспериментами [88], в которых обнаружено, что увеличение фосфорилирования НГБ происходит, по крайней мере частично, в результате повышения активности ядерной протеинкиназы.

Под действием пептидных гормонов увеличивается содержание сАМР, и поэтому стимулируется фосфорилирование Ser-37 гистона Н1 [43, 215]. В результате такого специфического фосфорилирования гистона Н1 усиливается транскрипция хроматина из тимуса теленка [121]. Тиротропин также стимулирует фосфорилирование гистона Н1 [212].

Полиамины — спермин и спермидин, принимающие участие в делении и росте клеток, стимулируют фосфорилирование НГБ [171]. Когда с помощью фитогемагглютинина стимулировали деление лимфоцитов, на начальных стадиях происходило фосфорилирование НГБ [192].

Установлено, что гистон Н1 из печени плода фосфорилирован в большей степени, чем у взрослой особи [22]. Клетки печени плода делятся быстрее, чем клетки взрослой особи. Таким образом, имеется, по-видимому, корреляция между фосфорилированием гистона Н1 и делением клеток. Эти результаты подтверждаются тем фактом, что в регенерирующей печени гистон Н1 фосфорилируется в большей степени, чем другие гистоны [317].

Ацетилирование хромосомных белков также модулируется некоторыми факторами. Гидрокортизон стимулирует ацетилирование гистонов и одновременно усиливает синтез РНК [9, 10]. Таким образом, имеется хорошая корреляция между ацетилированием гистонов и активностью генов. Есть данные о том, что эстрадиол усиливает ацетилирование богатых аргинином гистонов из матки крыс [228], а также стимулирует синтез РНК [152]. Так как известно, что эстрадиол стимулирует транскрипцию в некоторых тканях, а ацетилирование гистонов, возможно, необходимо для транскрипции, было изучено влияние эстрадиола на ацетилирование гистонов из срезов головного мозга in vitro [349]. Было показано, что эстрадиол стимулирует ацетилирование как гистонов, так и НГБ, причем особенно сильно он стимулирует ацетилирование гистона Н4.

Гормоны, действие которых реализуется с помощью сАМР, также стимулируют ацетилирование гистонов. Эритропоэтин стимулирует ацетилирование гистонов и синтез РНК в клетках селезенки у мышей с полицитемией [338]. Адреналин также стимулирует ацетилирование гистонов, причем только гистонов Н3 и Н4 [349]. Двухвалентные катионы ингибируют активность гистон-ацетилтрансферазы и, следовательно, ацетилирование гистонов [33, 237]. Этот результат вызывает недоумение, так как хорошо известно, что двухвалентные катионы необходимы для активности ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Есть данные, что цистеин сильно ингибирует ацетилирование гистонов [33]. ЛСД (диэтиламид лизергиновой кислоты) усиливает ацетилирование гистонов из мозга крыс [52].

Показано, что бутират — промежуточный продукт метаболизма жирных кислот — вызывает гиперацетилирование гистонов, причем он специфичен в отношении гистонов Н3 и Н4 [302]. Это осуществляется путем ингибирования гистон-деацетилазы [41, 68], так что если ацетатная группа введена в гистон, то она уже не удаляется. При этом, по-видимому, происходят конформационные изменения в нуклеосомах и увеличивается восприимчивость ДНК к ДНКазе I. Отсюда следует, что стимулирование транскрипции, наблюдающееся после ацетилирования, может объясняться такими конформационными изменениями в нуклеосомах, благодаря которым РНК-полимераза более эффективно связывается с ДНК. Показано также, что с увеличением ацетилирования гистонов Н3 и Н4 синтез ДНК подавляется [146]. Таким образом, ацетилирование гистонов, по-видимому, необходимо для транскрипции, но не для репликации.

Очень мало известно о модуляции метилирования хромосомных белков. Метилирование — процесс стабильный. Так как оно происходит главным образом в гистонах Н3 и Н4 и метильные группы не вступают в дальнейшие превращения, метилирование может играть роль в репрессии специфических генов, которая происходит на стадии дифференцировки. Было бы интересно выяснить, стимулируется ли при деметилировании гистонов активность специфических областей генома.

Есть сообщение, что кортизон усиливает метилирование НГБ в специфических хромосомных локусах [314], тогда как эстрадиол не влияет на метилирование гистонов [348]. Чрезвычайно важно, однако, что эстрадиол сильно ингибирует метилирование ДНК. Цитозин ДНК метилируется с образованием 5-метилцитозина. Такое метилирование может вызвать более сильное связывание ДНК с белками. Следовательно, ингибирование метилирования ДНК эстрадиолом может вызывать отделение ДНК от этих белков и усиливать транскрипцию. Изменения в структуре и функциях хроматина, вызываемые метилированием, требуют дальнейших исследований.

ADPрибозилирование гистонов представляет собой модификацию, в результате которой не только вводятся отрицательные заряды, но может также деформироваться комплекс хроматина. О возможности модуляции этой модификации известно мало. Поскольку это необратимый процесс, как и метилирование, он может быть необходим для дифференцировки и перевода клетки в постмитотическое состояние. Изучение этой модуляции поможет пролить свет на механизм дифференцировки и экспрессии генов.