Boros, Imre Miklós

Hungarian

Boros Imre Miklós

University of Szeged

111Boros Imre MiklósEgyüttműködés egyenlő hatékonyság  – hisztonokat módosító fehérjekomplexek  működése a sejtmagbanÖsszefoglalóAz élő sejtek működését meghatározó genetikai program megőrzése, átadása és kifejezése DNS és fehérjék sokaságának dinamikusan változó kölcsönha-tásait igényli. Ez biztosítja, hogy a DNS elfér a sejtmagban, épségét megőrzi, és részei mint programcsomagok sejtépítő molekulák szintézisét irányítják. A fehérjék ezekben az összetett folyamatokban nagyon gyakran nem mint egyedi molekulák, hanem mint makromolekulák komplexei vesznek részt. Kutatócsoportunk ilyen sejtmagi fehérjekomplexek felépítését és szerepét vizsgálja. Olyan kérdésekre keresünk válaszokat, hogy hogyan szabályozott a DNS összecsomagolása, az RNS-átiratokat szintetizáló enzim működése, a kromoszómák fennmaradása. Az összefoglaló a kromatin szerveződését szabályozó hiszton acetiltranszferáz (HAT) komplexek működési sajátossá-gainak megismerésére végzett munkánkba és az abban elért eredményeinkbe ad betekintést. HAT komplexek nyitnak utat a gének olvasásáhozA genomszekvenálási programok eredményeként pontosan tudjuk, mennyi egy-egy élőlény sejtjeinek DNS-tartalma. Az emberi kromoszómákat alkotó 46 db DNS óriásmolekulában a négy nukleotid alkotóegység (A, G, C, T) több mint 3 000 000 000 párja található összesen. Ezek sorrendje jelenti a genetikai információt. Hárommilliárd bázispárnyi DNS óriási mennyiség, még ha sej-tenként csak két-két molekula van is belőle; a teljes hossza lineárisan kiterítve közel két méter lenne, a nukleotidok sorrendjének leírása pedig egy írógéppel több hét időt igényelne. A sejtek magjában is természetesen csak szorosan összecsomagolva fér el ennyi DNS. Csomagolása olyan csodálatosan precíz, hogy tetszőleges részei a sejt életfunkciói támasztotta igény szerint kicsoma-golhatók, és ezzel hozzáférhetővé tehetők a genetikai információ olvasására. 112Boros Imre MiklósA csomagolás egységei a nukleoszómák. Egy-egy nukleoszómát bázikus hisztonok oktamerjéből álló fehérjemag (2 x (H2A, H2B, H3 és H4)) és az arra tekeredő DNS alkot (1. ábra). A gyöngyfüzérszerű nukleoszómasorozatokban minden egység közel 200 bázispár DNS-t tartalmaz. A hiszton aminosavoldal-láncok pozitív töltései és a DNS cukor-foszfát lánc negatív töltései miatt a DNS és fehérjék között erős kölcsönhatások jönnek létre a nukleoszómákon belül és szomszédos nukleoszómák között egyaránt. A hisztonokra feltekeredett DNS információtartalma ezért nem olvasható. Semlegesíteni lehet azonban a pozitív töltéseket pl. a lizin aminosav-oldalláncokon elhelyezett acetilcsoportokkal. Ez a DNS-fehérje kapcsolat gyengülését okozza. Erre képesek a hiszton acetilt-ranszferáz enzimek. Működésük eredményeként a DNS és hiszton kapcsolat meglazul, és út nyílik a nukleotid sorrend jelentette információ átmásolására a másik nukleinsav-féleség, az RNS-molekula szintézisével. Az RNS-ek a sejt-magból a citoplazmába jutva, ott fehérjék szintézisét vezérlik, amelyek pedig elvégeznek minden munkát a sejtben, legyen az építés, bontás, jeltovábbítás vagy épp szerkezetalkotás. Többsejtű élőlények rokon szerkezetű, de eltérő működésű hisztonmódosító fehérjekomplexei: SAGA és ATAC Több mint tíz éve vizsgáljuk a HAT enzimek szerepét a gének működésének szabályozásában ecetmuslica (Drosophila melanogaster) kísérleti modellt és humán sejteket használva. Munkánk egyik korai eredménye az elsők között szolgált bizonyítékként arra, hogy többsejtű élőlényekben ugyanaz a HAT enzim több komplexnek is része, és ezzel változatos szerepet tölthet be. A gén-működés szabályozásban szerepet játszó GCN5 HAT enzimet először ugyanis az egysejtű élesztőben azonosították mint az ún. SAGA komplex alegységét. Mi megmutattuk, hogy muslica és emberi sejtekben is a GCN5 egy másik fehérjeegyüttesnek, az ún. ATAC HAT komplexnek is alkotója (Muratoglu és mtsai. 2003). Részletes genetikai és sejtbiológiai analízissel bizonyítottuk, hogy a két komplex – annak ellenére, hogy ugyanazt a HAT enzimet tar-talmazzák – eltérő hisztonoldalláncokat módosít, másként változtatja meg a kromatinszerkezetet, és mindennek eredményeként, eltérő gének működé-sét szabályozza. Az eltérő funkciót jól tükrözi a megváltozott hiszton módosítási mintá-zat, ami akkor látható, ha a SAGA és ATAC komplexek egy-egy specifikus alegységének képződését génjük mutációjával megakadályozzuk. Az ADA2b fehérje a SAGA komplex alkotója. Génjének inaktiválása (Ada2b) a nukleo-Együttműködés egyenlő hatékonyság113szóma alkotó 3-as hiszton (H3) 9. és 14. lizin oldalláncán (K9/K14) csök-kent mértékű acetilációt (ac) eredményez (2. ábra). A SAGA komplex tehát a H3K9ac és H3K14ac módosítások kialakításában játszik szerepet (Pankotai és mtsai. 2005). Az ATAC komplexben az ADA2 fehérjének egy másik vál-tozata (ADA2a) van együtt a GCN5 acetiltranszferázzal. Ha ennek a génjét (Ada2a) inaktiváljuk, akkor csökkent szintű 4-es hiszton (H4) 5. és 12. lizin acetiláció mutatható ki az állatok kromoszómáin (2. ábra) (Ciurciu és mtsai. 2006). Különös módon a SAGA és az ATAC komplexek – bár számos alegy-ségüket tekintve különböznek egymástól – a GCN5 HAT enzimet tartalmazó moduljukban, amit összesen négy polipeptid alkot: GCN5, SGF29, ADA3 és ADA2, csak a legutóbbi tekintetében mutatnak különbséget. Ez arra utal, hogy az ADA2 fehérje természete, vagyis az, hogy az ADA2a vagy ADA2b variáns alkotója-e a HAT modulnak, meghatározza azt, hogy melyik hiszton-típus, a H3 vagy H4 lizin oldalláncai acetilálódnak. Az előbbihez a SAGA, az utóbbihoz az ATAC komplex működése szükséges. Legegyszerűbben ezt úgy képzelhetjük el, hogy az ADA2 fehérje, a komplexben kölcsönhatva az acetiltranszferáz aktivitású GCN5-tel, azt az egyik vagy a másik hisztonra „irányítja”. Az igazsághoz meg kell mondani azonban, hogy bár a két komplex jól megkülönböztethető szerepe a H3 és H4 acetilációt tekintve egyértelmű, azt, hogy ebben a GCN5 mindkét esetben közvetlenül vesz részt, nem tudjuk biztosan. Ez azonban nem változtatja meg az ADA2 feltételezett meghatá-rozó szerepét, és ennek a bizonyítása általános vonatkozásai miatt is érdekes. Az ugyanis, hogy egy fehérje specifikussága egy másikkal történő kölcsön-hatása által szabályozott, nagyon elegáns megoldást kínál a funkcionális sok-oldalúság biztosítására. A genomprojektek egyik érdekes eredménye a sok DNS-szekvencia megismerése mellett pontosan annak a felismerése, hogy rendkívül eltérő fejlettségű élőlények nagyon hasonló számú egyedi fehérje birtokában képesek változatos funkciók megvalósítására. A fehérjék száma és a fejlettséggel járó sokoldalúság közötti ellentmondás feloldásához fontos annak felismerése, hogy az egyes fehérjék kapcsolatrendszere hogyan bővíti azok működési variabilitását. Erre szolgálhat példaként az ADA2a és ADA2b szerepe a SAGA és ATAC HAT komplexekben. Valóban, kísérleteink igazol-ták az ADA2 fehérje specifikusságot módosító szerepét. Az állatokban olyan hibrid fehérjéket előállítva, amelyek a két ADA2 részleteit tartalmazták meg-állapítottuk, hogy a fehérje karboxil-terminális része meghatározó a komplex működésének specifitását tekintve: az első részükben ADA2b, a második részükben ADA2a fehérjének megfelelő részt tartalmazó hibrid fehérjék, mint ADA2a működtek, és az ATAC komplexbe épülve a H4 acetilációban vettek részt (Vámos és Boros 2012). 114Boros Imre MiklósHiszton acetiláció gének működését egyedileg  és koordináltan is szabályozhatjaA GCN5-öt tartalmazó két HAT komplex működésének gátlása biokémiailag hiszton acetiláció változást, fiziológiailag muslicák fejlődésének megrekedését okozza az egyedfejlődés különböző fázisaiban. A két jelenség között az okozati kapcsolatot a gének megváltozott működése jelenti, ami a hisztonmódosítások megváltozásának eredménye és a fejlődési rendellenességek okozta pusztulás közvetlen okozója. A teljes génkészletre kiterjedő génműködésváltozás jellem-zésére ún. mikroarray hibridizációs kísérleteket végeztünk, amelyekben 18 000 RNS szintjét hasonlítottuk össze olyan mutáns állatokból származó minták-ban, amelyek nem tartalmazzák a SAGA, ill. az ATAC komplexek hiszton acetilációban szerepet játszó moduljának valamelyik alkotóját (Gcn5, Ada3, Ada2a ill. Ada2b mutánsok) (3. ábra) (Pankotai és mtsai. 2010). Az össze-hasonlítások tükrözik az egyes komplexek eltérő hatását a génműködésre. Az ATAC komplex hibája több ezer gén transzkripciójának változását okozza. A SAGA sokkal kisebb számú, specifikus funkciókat betöltő gén hatékony működéséhez szükséges. Részletesen analizálva egyes kiválasztott géneket és géncsoportokat megállapíthattuk azt is, hogy az ATAC az egyedfejlődés hormonális szabályozását végző gének aktivitásának meghatározásán át befo-lyásolja több ezer gén működését. A SAGA pedig a stressz elleni védelem és az immunitás ősi formáiban szerepet játszó gének működését modulálja (Zsindely és mtsai. 2009). A hisztonmódosítások egymással összekapcsolódóan  alkotnak génszabályozási jelrendszertA fentiek ismeretében felmerül a kérdés: milyen molekuláris kölcsönhatásokkal és hogyan okozza a hiszton acetiláció változatos gének százainak vagy ezreinek is működésváltozását? A választ azt feltételezve adhatjuk meg, hogy az ace-tiláció – és ahhoz hasonlóan más hisztonmódosítások is – jelzésként szolgál a DNS-molekulákon ható fehérjék számára. Ez a jelrendszer biztosítja, hogy a kromatin állomány összetömörödik vagy fellazul, és hogy a DNS-hez speci-fikus fehérjék hozzáférnek vagy nem. Megfelelő módosításokkal a nukleoszó-mák elrendeződése úgy változik meg a genom kiválasztott részein, hogy ott lehetővé válik a gének működése. Ezt a rendkívül összetett kromatinmódosítási jelrendszert, amit összefoglalóan az epigenetikai hatások összességének tekint-jük, csak napjainkban tárja fel a molekuláris biológia. Munkacsoportunk egyik Együttműködés egyenlő hatékonyság115hozzájárulása ehhez egy szép példa bemutatása arra, hogyan képesek külön-böző módosítások egymással együtthatva kiváltani alapvetően eltérő hatáso-kat (4. ábra) (Ciurciu és mtsai. 2008). Az általunk vizsgált ATAC komplexszel létrehozott hiszton acetiláció olyan kromatinszerkezeti átalakulást indít el, ami hisztonok foszforilációját is elősegíti. E két módosítás együttesen a kro-matin fellazulását és gének működését eredményezi. Az acetiláció elmaradása esetén a foszforilációt végző kináz enzim nem képes a nukleoszómák közelébe férkőzni, bár ott van a sejtmagban. Ezért elmarad a foszforiláció, hiányában pedig egy másik módosítási forma, a metiláció kerül előtérbe. A metilált hisz-tonoldalláncokhoz pedig olyan fehérjék kapcsolódnak, amelyek a kromatint még szorosabban összetömörítik, megakadályozva ezzel a génműködést. Irodalom:•  CIURCIU A., KOMONYI O., PANKOTAI T., BOROS I.: The Dros-ophila histone acetyltransferase GCN5 and transcriptional adaptor ADA2a are involved in nucleosomal histone H4 acetylation. Mol. Cell Biol, 26(24): 9413–9423 (2006) •  CIURCIU A., KOMONYI O., PANKOTAI T., BOROS I.M.: Loss of ATAC-specific acetylation of histone H4 at Lys12 reduces binding of JIL-1 to chromatin and phosphorylation of histone H3 at Ser10. J. Cell Science 121 (20): 3366–3372. 2008. •  MURATOGLU S., GEORGLEVA S., PAPAI G., SCHEER E., ENUNLU I., KOMONYI O., CSERPAN I., LEBEDEVA L., NABIROCHKINA E., UDVARDY A., TORA L., BOROS I.: Two different Drosophila ADA2 homologues are present in distinct GCN5 histone acetyltransferase-con-taining complexes. Mol. Cell Biol. 23: 306–321. 2003.•  PANKOTAI T., KOMONYI O., BODAI L., UJFALUDI ZS., MURA-TOGLU S., TORA L., SZABAD J., BOROS I.: The homologous Dro-sophila transcriptional adaptors ADA2 a and ADA2b are both required for normal development, but have different functions. Mol. Cell Biol. 25(18): 8215–8227. 2005. •  PANKOTAI T., POPESCU C., MARTIN D., GRAU B., ZSINDELY N., BODAI L., TORA L., FERRÚS A., BOROS I.: Genes of the ecdysone biosynthesis pathway are regulated by the dATAC histone acetyltrans-ferase complex in Drosophila. Mol. Cell Biol. 30(17): 4254–4266. 2010.•  ZSINDELY N., PANKOTAI T., UJFALUDI Z., LAKATOS D., KOMO-NYI O., BODAI L., TORA L., BOROS I.M.: The loss of histone H3 116Boros Imre Miklóslysine 9 acetylation due to dSAGA-specific dAda2b mutation influences the expression of only a small subset of genes. Nucleic Acids Res. 37(20): 6665–6680. 2009. •  VÁMOS E., BOROS I.M.: The C-terminal domains of ADA2 proteins determine selective incorporation into GCN5-containing complexes that target histone H3 or H4 for acetylation. Febs Let. 586(19): 3279–3286. 2012.1. ábra. A nukleoszóma. A korong alakú fehérje-DNS komplex átmérője  kb. 10 nm. A központi hiszton oktamer négyféle alkotói eltérően jelöltek.  A köréjük feltekeredő 146 bp DNS kettős spirál fehérrel jelzett.  A modell jól szemlélteti a DNS és hisztonok szoros kapcsolatát,  ami a hiszton aminosav oldalláncok módosításaival változtatható.2. ábra. Drosophila óriás kromoszómák acetilált hiszton 3 14-es lizint (H3K14ac)  és hiszton 4-es 12-es lizint (H4K12ac) felismerő ellenanyaggal festve.  A minták vad típusú (wt), Ada2a és Ada2b mutáns muslicákból készültek.  Látható a csökkent H3 vagy H4 acetilációszint  Ada2b, illetve Ada2a mutáns állatokban.Együttműködés egyenlő hatékonyság1173. ábra. Génműködésváltozások páronkénti összehasonlítása SAGA és ATAC  komplexek alegységeinek mutációit tartalmazó állatokban. Az plotok minden pontja egy-egy génnek megfelelő mRNS mikroarray hibridizációval meghatározott szintjét mutatja log2 skálán. Az Ada2a vs Ada3 összehasonlítás (jobb felső plot) jelzi, hogy a két fehérje azonos komplex (ATAC) alegysége, hiányuk a gének nagy részét tekintve hasonló változást okoz. Az Ada2a és Ada2b mutánsok összehasonlítása nem mutatja a mRNS-szin-tek változásának korrelációját jelezve, hogy ezek a fehérjék eltérő komplexek alkotói. 4. ábra. Az ATAC acetiltranszferáz komplex működése elősegíti a hisztonok foszforiláció-ját, ami a kromatinszerkezet fellazulásához vezet, és a génműködésnek nyit utat  (jobb oldalon). Az ATAC működés hiányában (bal oldal) hiszton metiltranszferáz műkö-dése válik meghatározóvá, ami a kromatin génműködést akadályozó összetömörödéséhez vezet. A középső rész vadtípusú (wt) és ATAC mutáns (Ada2a) állatok specifikus  ellenanyagokkal festett kromoszómáin és sejtmagjain mutatja a létrejött  hisztonmódosításokat. 

Együttműködés egyenlő hatékonyság - hisztonokat módosító fehérjekomplexek működése a sejtmagban

http://acta.bibl.u-szeged.hu/35833/1/tudastar_004_111-117.pdf

Együttműködés egyenlő hatékonyság – hisztonokat módosító fehérjekomplexek működése a sejtmagban

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

University of Szeged