Гистондеацетила́за 4 () (КФ 3.5.1.98) — белок, кодируемый у человека геном HDAC4, расположенным на 2-й хромосоме. Как и все ферменты группы гистондеацетилаз, близкой к сиртуинам, гистондеацетилаза 4 катализирует удаление с остатков лизина в N-концевой части коровых гистонов (, , H3 и ), что изменяет структуру хроматина. Деацетилирование гистонов является одним из механизмов транскрипционной и эпигенетической регуляции, оказывает влияние на ход клеточного цикла и участвует в регуляции развития. Работа HDAC4 регулируется путём различных посттрансляционных модификаций и взаимодействий с разнообразными белками, иногда тканеспецифичными. Нарушение работы HDAC4 приводит к развитию многих заболеваний, в том числе раковых, поэтому ингибиторы HDAC4 могут иметь важное медицинское применение.
Ген и регуляция экспрессии У человека ген HDAC4 расположен на 2-й хромосоме (2q37.3), имеет длину около 353,49 килобаз (кб), содержит 37 экзонов и даёт начало 8980 мРНК-транскриптам. У мыши гомологичный ген Hdac4 имеет длину около 215,7 кб, располагается на 1-й хромосоме и даёт начало 3960 мРНК-транскриптам. HDAC4 экспрессируется в различных тканях, и уровень экспрессии зависит от интенсивности различных стимулов. Несмотря на огромное количество процессов, регулируемых HDAC4, и уникальные механизмы регуляции активности этого белка, о механизмах регуляции его экспрессии известно мало. Транскрипционные факторы Sp1 и Sp3 связываются непосредственно со специфическими консенсусными GC-обогащёнными участками в промоторе HDAC4 и запускают транскрипцию HDAC4. HDAC4 не экспрессируется в ядрах эмбриональных стволовых клеток мыши, однако при начале дифференцировки клеток уровень его экспрессии резко возрастает.
Показано, что в регуляции экспрессии HDAC4 участвуют несколько микроРНК, среди которых miR-1, miR-29, miR-140, miR-155, miR-200a, miR-206 и miR-365, действующие в клетках разных типов. miR-200a непосредственно связывается с 3'-нетранслируемой областью (3'-UTR) мРНК HDAC4 и подавляет его экспрессию. miR-1 специфична для клеток мышц и стимулирует , действуя на 3'-UTR мРНК HDAC4 и подавляя экспрессию HDAC4. Белок mTOR контролирует MyoD-зависимую транскрипцию miR-1 через вышележащий энхансер, а опосредуемая miR-1 репрессия HDAC4 приводит к образованию и последующему слиянию миоцитов. Временная трансфекция прогениторных клеток кардиомиоцитов при помощи miR-1 и miR-499 снижала скорость пролиферации и вызывала усиленную дифференцировку человеческих прогениторных клеток кардиомиоцитов и эмбриональных стволовых клеток в кардиомиоциты через репрессию HDAC4. Кроме того, miR-22, подавленная при гепатоцеллюлярной карциноме, подавляет пролиферацию и склонность к образованию опухолей через регуляцию HDAC4.
Кроме того, сверхэкспрессия miR-206 и miR-29 подавляла экспрессию HDAC4 на уровне трансляции как в присутствии, так и в отсутствие трансформирующего фактора роста-бета (TGF-β) через взаимодействие с 3'-UTR HDAC4. Экспрессия miR-206 и miR-29, задействованных в дифференцировке клеток мышц, отрицательно регулируется TGF-β, поэтому обработка миогенных клеток TGF-β вызывает повышенную экспрессию HDAC4. miR-29b выступает ключевым регулятором дифференцировки в остеобласты, действуя на белки HDAC4, TGF-β3, ACVR2A, CTNNBIP1 и DUSP2. miR-140, специфичная для хрящевой ткани, непосредственно действует на 3'-UTR HDAC4. Мыши, лишённые miR-140, имеют карликовый фенотип из-за нарушения развития хондроцитов. miR-365, активируемая при механическом воздействии, связана с модуляцией дифференцировки хондроцитов, действуя непосредственно на HDAC4. У , имеющих человеческую miR-155, miR-155 действует на HDAC4 и нарушает регуляцию транскрипции гена 6 в В-клетках. Искусственно усиленная экспрессия HDAC4 в человеческих клетках В-клеточной лимфомы уменьшала индуцируемую miR-155 пролиферацию и усиливала апоптоз. Всё это свитедельствует о важной роли микроРНК, специфично действующих на HDAC4, в модуляции клеточного ответа и биологических функций клеток разных типов в ответ на различные стимулы.
Структура
Структура доменов
Человеческий ген HDAC4 кодирует белки длиной от 972 до 1084 аминокислотных остатков, а мышиный гомолог Hdac4 — от 965 до 1076 аминокислотых остатков. HDAC4 содержит уникальный регуляторный домен на N-конце, который взаимодействует с различными транскрипционными факторами, и цинк-содержащий каталитический домен на С-конце. Анализ кристаллической структуры показывает, что правильно фолдированный (уложенный) цинк-связывающий домен необходим для формирования репрессорного комплекса. N-концевой участок мономера HDAC4 консервативен и содержит обогащённый глутамином домен (19 остатков глутамина из 68), который укладывается в прямую альфа-спираль, участвующую в сборке тетрамера гистондеацетилазы 4. Тетрамер HDAC4 не имеет регулярно расположенных неполярных аминокислотных остатков и протяжённого . Вместо этого взаимодействие между субъединицами обеспечивается множеством гидрофобных островков, расположенных внутри участков с полярными аминокислотными остатками, а глутамин-обогащённые участки принимают участие в сворачивании альфа-спиралей мономеров и их взаимодействии друг с другом. С-концевой цинк-связывающий домен играет ключевую роль в распознавании субстрата и связывании HDAC4 с репрессорным комплексом HDAC3-NCoR. Детальный анализ кристаллической структуры показал, что между цистеином 669, расположенным в цинк-связывающем домене, и цистеином 700 соседней молекулы может формироваться межмолекулярная дисульфидная связь.
Посттрансляционные модификации
Посттрансляционные модификации HDAC4 могут изменять его внутриклеточную локализацию и состав взаимодействующих с ним белков. Хорошо известно, что одной из ключевых функций HDAC4 является репрессия транскрипции генов-мишеней через регуляцию конденсации и структуры хроматина. Недавние исследования показали критическую роль посттрасляционных модификаций в контроле клеточных ответов, в которых задействована HDAC4. Было показано, что HDAC4 может фосфорилироваться, сумоилироваться, карбонилироваться, убиквитинироваться и разрезаться под действием различных ферментов.
Фосфорилирование Фосфорилирование/дефосфорилирование обеспечивает быструю и эффективную репрессию гистондеацетилаз (HDAC) класса IIа, к которому принадлежит и HDAC4. Обратимое фосфорилирование — регуляторный механизм, необходимый для функционирования HDAC4. HDAC4 взаимодействует с семейством белков 14-3-3, которые специфично связываются с фосфосерин-содержащими консервативными мотивами. Фосфорилирование этих остатков серина создаёт сайты связывания с шапероном семейства 14-3-3, который сопровождает фосфорилированную HDAC4 при транспорте из ядра в цитоплазму. HDAC4 может фосфорилироваться следующими белками: , ERK1/2, протеинкиназа А (РКА) и .
Стимуляция CaMK запускает миогенез путём разрушения комплексов -HDAC и последующего экспорта HDAC из ядра. специфично связывается с HDAC4 через уникальный сайт докинга. Фосфорилирование HDAC4 по остаткам серина S246, S467 и S632 при помощи CaMKII усиливает ядерный экспорт и предотвращает ядерный импорт HDAC4 с последующей репрессией генов-мишеней HDAC4. Передача сигнала через эндогенный CaMKII необходимо для индуцированного агонистом накопления HDAC4 в цитозоле кардиомиоцитов. Однако РКА фосфорилирует HDAC4 и регулирует протеолиз HDAC4 по остатку тирозина 207, а также выступает антагонистом CaMKII-опосредованной активации MEF2 путём регулирования протеолиза HDAC4. Продукт разрезания HDAC4, включающий в себя N-конец бывшего белка, селективно ингибирует активность MEF2, но не сывороточного ответного фактора (SRF), выступая антагонистом CaMKII, но не влияя на выживание кардиомиоцита. Активация сигнального пути Ras-MAPK при экспрессии онкогенного белка Ras или в случае конститутивно активной MAPK/ERK-киназы 1 вызывает накопление HDAC4 в ядре миобластов. GSK3 может фосфорилировать HDAC4 по позициям 298 и 302, что приводит к разрушению HDAC4 протеасомами; таким образом, этот белок выступает в качестве важного регулятора стабильности HDAC4.
Аналогичным образом, важную роль в регуляции HDAC4 играют дефосфорилирующие ферменты — протеинфосфатазы. В условиях in vitro HDAC4 дефосфорилируется PP2A, которая сначала взаимодействует с N-концом HDAC4, а потом дефосфорилирует её. Регулируя дефосфорилирование HDAC4 по нескольким остаткам серина, в том числе и тем, которые входят в сайт связывания с белками 14-3-3, а также остатку серина 298, PP2A контролирует ядерный импорт HDAC4.
Карбонилирование Карбонилирование, или алкилирование, — характерная посттрансляционная модификация в клетках, подвергшихся окислительному стрессу. Карбонилированием называется ковалентное присоединение активной карбонильной группы к тиольной группе остатков цистеина в белке-субстрате. В ответ на стимулы, индуцирующие образование активных форм кислорода в клетке, в белке DnaJb5 остатки цистеина 274 и 276, а в HDAC4 — 667 и 669 окисляются и формируют внутримолекулярные дисульфидные связи, которые затем могут быть восстановлены тиоредоксином-1. Восстановление остатков цистеина 274 и 276 белка DnaJb5 необходимо для взаимодействия DnaJb5 и HDAC4, а восстановление остатков цистеина 667 и 669 HDAC4 подавляет её ядерный экспорт независимо от степени фосфорилированности.
Сумоилирование Сумоилирование — это ковалентное присоединение белков группы SUMO к остаткам лизина белка. Как и при убиквитинировании, присоединение белков SUMO (, и ) к остаткам лизина в белках-субстратах играет критическую роль в модуляции активности и разрушения этих белков. Было показано, что HDAC4 распознается SUMO1 по единственному остатку лизина (лизин-559), по которому и происходит сумоилирование. Оно осуществляется E3 SUMO-протеинлигазой и не влияет на внутриклеточное распределение HDAC4, а также на его взаимодействие с некоторыми из белков, с которыми она обычно взаимодействует. Однако HDAC4 с мутацией в позиции 559 значительно хуже функционирует и осуществляет репрессию транскрипции генов-мишеней по сравнению с диким типом. Сумоилированию HDAC4 препятствует её фосфорилирование CaMK4.
Убиквитинирование Обычно полиубиквитинирование направляет белки на деградацию протеасомами, в то время как моноубиквитинирование может иметь различные биологические эффекты. Убиквитинирование и протеасомное разрушение HDAC4 регулируется путём фосфорилирования , однако механизм и биологическое значение убиквитинирования HDAC4 ещё не выяснены.
Протеолиз Перемещение HDAC4 между ядром и цитоплазмой также находится под влиянием протеолиза, которое происходит в процессе апоптоза. HDAC4 разрезается и -3 по остатку аспартата 289. N-концевой фрагмент HDAC4, отрезаемый каспазами, содержит сигнал ядерной локализации и накапливается в ядре, репрессируя транскрипцию и вызывая гибель клетки, а также выступая сильным репрессором MEF2C. По сравнению с другими ядерными формами HDAC4, ядерный фрагмент, отрезаемый каспазами, вызывает гибель клетки и оказывает мощное подавляющее действие на - или SRF-зависимую транскрипцию, несмотря на то что не содержит С-концевого цинк-связывающего домена, необходимого для распознавания субстрата и связывания с корепрессорным комплексом HDAC3-N-CoR. Создаваемый каспазами фрагмент слабо связывается с хроматином, в то время HDAC4, мутантная по сайту связывания 14-3-3, формирует более стабильные комплексы с белком HDAC5.
Действие на клеточном уровне Гистоны играют важнейшую роль в регуляции экспрессии генов. Ацетилирование/деацетилирование гистонов изменяет структуру хроматина и влияет на доступ факторов транскрипции к ДНК. HDAC4 относится к классу II семейства гистондезацетилаз/acuc/apha. Он обладает активностью гистондеацетилазы и подавляет транскрипциию, связываясь с промотором. Этот белок не связывает ДНК напрямую, а лишь посредством транскрипционных факторов и . Как и для всех гистондеацетилаз, для работы HDAC4 необходимы ионы Zn2+.