Ацетилювання (або етаноїлювання відповідно до номенклатури IUPAC) — це реакція введення ацетильної функціональної групи до хімічної молекули за участі фермента ацетилтрасферази. Деацетилювання — це видалення ацетильної групи.
Ацетилювання стосується процесу введення ацетильної групи (в результаті чого утворюється ) до молекули, а саме заміщення ацетильною групою . Реакцію з заміною протона водню в гідроксильній групі на ацетильну групу (СН3СО) утворює складний ефір, який називають ацетатом. Зазвичай використовують оцтовий ангідрид, як ацетилюючий агент, який реагує з вільними гідроксильними групами. Таким чином синтезують аспірин, героїн та .
Ацетилювання білків Ацетилювання — важлива модифікація білків у клітинній біології. Дослідження з протеоміки ідентифікували тисячі ацетильованих білків у ссавців. Ацетилювання відбувається як ко-трансляційна та посттрансляційна модифікація білків шляхом ковалентного приєднання до них ацетильних груп, що відбивається на їх функціональній активності, наприклад, гістонів, p53 та тубулінів. Локальне ацетилювання N-кінцевих учасників гістонів на посттрансляційному рівні пов'язане із активацією хроматину. Такі ферменти, як гістонові ацетилтрансферази та деацетилази, беруть участь в ацетилюванні чи деацетилюванні гістонів, регулюючи експресію та транскрипцію генів. Ацетилювання білка p53 по COOH-кінцю стимулює його здатність зв'язуватися із ДНК. Такі модифікації масово представлені серед хроматинових білків та ферментів клітинного метаболізму, що свідчить про те, що ацетилювання має значний вплив на епігеном (див. Епігеноміка), що, в свою чергу, впливає на експресію генів та метаболізм. У бактерій 90 % білків, які беруть участь у центральному обміні Salmonella enterica, ацетильовані.
N-термінальне ацетилювання
N-кінцеве ацетилювання є однією з найпоширеніших ко-трансляційних ковалентних модифікацій амінокислот еукаріотів, яка відіграє важливу роль у регуляції функціонування різних білків. N-кінцеве ацетилювання визначає рівень синтезу, стабільність та локалізацію білків. Близько 85 % усіх білків людини і 68 % білків дріжджів ацетильовані на їх Nα-кінцях. Кілька білків прокаріотів і археїв також модифікуються N-кінцевим ацетилюванням.
N-кінцеве ацетилювання каталізується набором ферментних комплексів, (NATи). NATи переносять ацетильну групу з ацетил-коензиму А (Ac-CoA) до α-аміногрупи першого амінокислотного залишку білка. Різні NATи відповідають за ацетилювання N-кінцевого білка - амінокислотного ланцюга, який синтезується. Ацетилювання досі вважалося незворотним.
N-кінцеві ацетилтрансферази На сьогоднішній день у людини виявлено шість різних типів NAT — NatA, NatB, NatC, NatD, NatE та NatF. Кожен з цих різних ферментних комплексів є специфічним для різних амінокислот або амінокислотних послідовностей, які показані в наступній таблиці.
Таблиця 1. Склад та субстратна специфіка NAT. NAT Субодиниці(каталітичні субодиниці виділені жирним шрифтом) Субстрати NatA Naa10 (Ard1) Naa15 (Nat1) Ser-, Ala-, Gly-, Thr-, Val-, Cys- N-закінчення NatB Naa20 (Nat3) Naa25 (Mdm20) Met-Glu-, Met-Asp-, Met-Asn-, Met-Gln- N-закінчення NatC Naa30 (Mak3) Naa35 (Mak10) Naa38 (Mak31) Met-Leu-, Met-Ile-, Met-Trp-, Met-Phe- N-закінчення NatD Naa40 (Nat4) Ser-Gly-Gly-, Ser-Gly-Arg- N-закінчення NatE Naa50 (Nat5) Naa10 (Ard1) Naa15 (Nat1) Met-Leu-, Met-Ala-, Met-Lys-, Met-Met- N-закінчення NatF Naa60 Met-Lys-, Met-Leu-, Met-Ile-, Met-Trp-, Met-Phe- N-закінчення NatH Naa80 Актин- N-закінчення
NatA
NatA складається з двох субодиниць: каталітичної субодиниці Naa10 та допоміжної субодиниці Naa15. Субодиниці NatA складніші у вищих еукаріотів, у порівнянні з нижчими еукаріотами. Naa10/Naa15 є найпоширенішим NatA і кодуються генами NAA10 та NAA15, відповідно. На додаток до генів NAA10 та NAA15, у ссавців є специфічні гени NAA11 і NAA16, яким відповідають функціональні білкові продукти, що утворюють різні активні комплекси NatA. Ці чотири каталітичні білки утворюють чотири можливі каталітично-допоміжні димери hNatA.
NatA ацетилати Ser-, Ala-, Gly-, Thr-, Val- та Cys- N-кінцеві після того, як ініційований метіонін видаляється метіонинамінопептидазами. Ці амінокислоти частіше експресуються в N-кінцевих білках еукаріотів, тому NatA є основним NAT, що відповідає всій кількості його потенційних субстратів.
Кілька різних партнерів по взаємодії беруть участь у N-кінцевому ацетилюванні NatA. Хантінтин-взаємодіючий білок К (HYPK) взаємодіє з hNatA на рибосомі для впливу на N-кінцеве ацетилювання підмножини субстратів NatA. Субодиниці hNaa10 та hNaa15 посилюють тенденцію до агрегації Хантінтіна, якщо HYPK виснажується. Було також встановлено, що індукований гіпоксією фактор (HIF)-1α взаємодіє з hNaa10, щоб інгібувати активацію опосередкованої hNaa10 активності транскрипції β-катеніну.
NatB Комплекси NatB складаються з каталітичної субодиниці Naa20p та допоміжної субодиниці Naa25p, які є як у дріжджів, так і у людини. У дріжджів всі субодиниці NatB пов'язані з рибосомами; а у людини субодиниці NatB виявляються як пов'язаними із рибосомою, так і у нерибосомальній формі. NatB ацетилює N-кінцевий метіонін субстратів, починаючи з терміналів Met- Glu-, Met-Asp-, Met-Asn- або Met-Gln- N-кінців.
NatC Комплекс NatC складається з однієї каталітичної субодиниці Naa30p та двох допоміжних підодиниць Naa35p і Naa38p. Усі три субодиниці знаходяться на рибосомі у дріжджах, але вони також є у не-рибосомальних формах NAT, як Nat2. NatC-комплекс ацетилює N-кінцевий метіонін субстратів Met-Leu -, Met-Ile-, Met-Trp- або Met-Phe- N-кінців.
NatD NatD складається лише з каталітичної одиниці Naa40р, яка концептуально відрізняється від інших комплексів NAT. Спочатку було виділено лише два субстрати — H2A та H4 у дріжджів та людини. По-друге, специфічність субстрату Naa40p лежить в межах перших 30-50 залишків, що значно більше, ніж специфічність субстрату інших NAT. Ацетилювання гістонів комплексом NatD частково пов'язане з рибосомами, а амінокислотні субстрати є самими N-кінцевими залишками, що відрізняє його від лізинових N-ацетилтрансфераз (KATs).
NatE Комплекс NatE складається з субодиниці Naa50p та двох NatA субодиниць: Naa10p і Naa15p. N кінець субстратів Naa50p відрізняється від них NatA ацетильованою активністю Naa10p.
NatF
NatF — це NAT, до складу якого входить фермент Naa60. Спочатку вважалося, що NatF виявлений лише у вищих еукаріотів, оскільки він відсутній у дріжджів. Однак пізніше було встановлено, що Naa60 знаходиться у всьому еукаріотичному домені, хоча вдруге втрачається у лінії грибів. Порівняно з дріжджами, NatF сприяє підвищенню кількості N-кінцевого ацетилювання у людини. NatF-комплекс ацетилює N-кінцевий метіонін субстратів Met-Lys-, Met-Leu-, Met-Ile-, Met-Trp- і Met-Phe- N-закінчення, які частково перекриваються з NatC і NatE. Показано, що NatF локалізується у певних клітинних компартментах та ацетилює цитозольні N-кінці трансмембранних білків. Компартменталізація Naa60 опосередковується його унікальним С-кінцем, який складається з двох альфа-спіралей, які периферично асоціюються з мембраною і опосередковують взаємодію з .
NAA80/NatH NAA80/NatH — це N-кінцева ацетилтрансфераза, яка специфічно ацетилює N-кінець актину.
N-кінцева функція ацетилювання
Стабілізація білків N-кінцеве ацетилювання може впливати на стабільність білка, але результати та механізм поки остаточно незрозумілі. Спочатку вважалося, що N-кінцеве ацетилювання захищає білки від деградації, оскільки Nα-ацетилювання N-кінців повинно було блокувати N-кінцеву повсюдність і подальшу деградацію білка. Але ряд досліджень показав, що N-кінцевий ацетильований білок має швидкість деградації подібну до білків із неблокованим N-кінцем.
Локалізація білка Показано, що N-кінцеве ацетилювання може керувати розташуванням білків. Arl3p — одна з «Arf-подібних» (Arl) GTPаз, яка має вирішальне значення для організації мембранного руху. Nα-ацетилювання Arl3 запущене за допомогою Голджі-мембран-приналежного білка Sys1p спрямовує транспорт вказаного білка до мембранного комплексу апарату Гольджі. Якщо Phe або Tyr замінити на Ala на N-кінці Arl3p, він більше не зможе розташовуватися на мембрані Ґольджі, що вказує на те, що Arl3p потребує своїх природних N-кінцевих залишків, які можуть бути ацетильовані для належної локалізації.
Метаболізм та апоптоз Також доведено, що білок N-кінцевого ацетилювання пов'язаний з регуляцією клітинного циклу та апоптозу. Генетичне виснаження (нокдаун) NatA або NatC комплексів призводить до індукції р53-залежного апоптозу, що може свідчити про меншу кількість антиапоптотичних білків або зупинку функціонування через зменшення білка N-кінцевого ацетилювання. Проте, на відміну від нього, каспаза-2, ацетильована NatA, може взаємодіяти з адаптерним білком RIP пов'язаним із Ich-1/Ced-3 гомологічними білками зі смертю домен (RAIDD). Це може активувати каспазу-2 і індукує клітинний апоптоз.
Синтез білка Рибосоми білків відіграють важливу роль в процесі синтезу білка, який може бути ацетильованим на N-кінці. N-кінцеве ацетилювання білків рибосоми може впливати на синтез білка. Зниження на 27 % і 23 % у швидкості синтезу білка спостерігалося з NatA і NatB штамів видалення. Зниження точності трансляції спостерігалася у NatA деформації видалення і дефект в рибосомі був помічений у NatB деформації видалення.
Рак Запропоновано, що NATи можуть виступати як онко-білки і пухлинні супресори при захворюваннях людей на рак, і експресія NAT може як збільшувати, так і зменшувати ракові клітини. Ектопічна експресія hNaa10p підвищеної та регуляції генів, що беруть участь в клітинної проліферації та виживання обміну речовин. Надмірна експресія hNaa10p спостерігалася при раку сечового міхура, раку молочної залози та раку шийки матки. Але експресія високого рівня hNaa10p також може пригнічувати ріст пухлини і знижений рівень hNaa10p пов'язаний з поганими прогнозами, великими пухлинами і метастазами у лімфовузлах.
Таблиця 2. Огляд вираження NatA субодиниць в різних ракових тканинах Субодиниці NatРакові тканиниШаблон вираженняhNaa10раку легенів, раку молочної залози, колоректального раку, гепатоцелюлярної карциномивисоко в пухлиніhNaa10рак легенів, рак молочної залози, рак підшлункової залози, рак яєчниківвтрата гетерозиготності в пухлиніhNaa10рак молочної залози, рак шлунка, рак легеніввисоко в первинної пухлини, але низька метастази в лімфовузли.hNaa10Недрібноклітинний рак легеньнизька при пухлинахhNaa15папілярний рак щитоподібної залози, рак шлункависоко в пухлиніhNaa15нейробластомависоко в просунутій стадії пухлиниhNaa11гепатоцелюлярна карциномавтрата гетерозиготності в пухлині
Ацетилювання і деацетилювання лізину
Білки зазвичай ацетильовані на залишках лізину, і ця реакція покладається на ацетил-коензим A як донора ацетильної групи. У процесі ацетилування і деацетилювання гістонів, гістонові білки ацетильовані і деацетильовані на лізинових залишках N-кінцевий хвіст як частина генної регуляції. Зазвичай ці реакції каталізуються ферментами з активністю ацетилтрансферази гістонів (HAT) або гістондеацетилази (деацетилазах гістонів), хоча NATи і HDACи можуть також змінювати статус ацетилювання негістонових білків.