Izomeryzacja proliny w epigenetyce

W epigenetyce izomeryzacja proliny to wpływ izomeryzacji cis-trans aminokwasu proliny na regulację ekspresji genów . Podobnie jak kwas asparaginowy , aminokwas prolina ma rzadką właściwość polegającą na tym, że może z łatwością zajmować zarówno izomery cis , jak i trans swoich wiązań peptydowych prolilowych . Izomeraza peptydyloprolilowa lub PPIaza jest enzymem bardzo często kojarzone z izomeryzacją proliny ze względu na ich zdolność do katalizowania izomeryzacji prolin. PPIazy występują w trzech typach: cyklofiliny, białka wiążące FK507 i parwuliny. Enzymy PPIazy katalizują przejście proliny między izomerami cis i trans i są niezbędne dla licznych funkcji biologicznych kontrolowanych i na które wpływa izomeryzacja prolilu (tj. sygnalizacja komórkowa , zwijanie białek i modyfikacje epigenetyczne). Bez PPIaz wiązania peptydowe prolilu będą powoli przełączać się między cis i trans – proces, który może zablokować białka w nienatywnej strukturze, co może spowodować chwilową nieskuteczność białka. Chociaż ta zmiana może nastąpić samodzielnie, PPIazy są odpowiedzialne za większość izomeryzacji wiązań peptydowych prolilowych. Specyficzny aminokwas poprzedzający wiązanie prolilowo-peptydowe może również mieć wpływ na konformację, jaką przyjmuje to wiązanie. Na przykład, gdy aromatyczny jest związany z proliną, wiązanie jest bardziej korzystne dla konformacji cis . Cyklofilina A wykorzystuje „uchwyt elektrostatyczny” do wciągania proliny do postaci cis i trans formacje. Na większość tych funkcji biologicznych wpływa izomeryzacja proliny, gdy jeden izomer oddziałuje inaczej niż drugi, zwykle powodując zależność aktywacji/dezaktywacji. Jako aminokwas prolina występuje w wielu białkach . Pomaga to w wielu efektach, jakie izomeryzacja proliny może mieć w różnych mechanizmach i funkcjach biologicznych.

Sygnalizacja komórkowa

Sygnalizacja komórkowa obejmuje wiele różnych procesów i białek. Jednym z najlepiej zbadanych zjawisk sygnalizacji komórkowej z udziałem proliny są interakcje z izomerazą p53 i prolilu, w szczególności Pin1 . Białko p53, wraz z p63 i p73 , są odpowiedzialne za zapewnienie korekty zmian w genomie oraz za zapobieganie powstawaniu i wzrostowi nowotworów . reszty proliny występują w białkach p53 i bez fosforylacji i izomeryzacji specyficznych motywów seryny/treoniny-proliny w obrębie p53 nie mogą one wykazywać kontroli nad swoimi docelowymi genami. Główne procesy sygnalizacyjne, na które wpływa p53, to apoptoza i zatrzymanie cyklu komórkowego, oba kontrolowane przez specyficzną izomeryzację prolin w p53.

Historia i odkrycie

Chociaż izomeryzacja białek jest znana od 1968 roku, kiedy to odkrył ją C. Tanford, izomeryzacja proliny i jej zastosowanie jako niekowalencyjnej modyfikacji ogona histonowego została odkryta dopiero w 2006 roku przez Nelsona i jego współpracowników.

Jako modyfikacja ogona histonowego

Jednym z najbardziej znanych mechanizmów epigenetycznych, w którym odgrywa rolę izomeryzacja proliny, jest modyfikacja ogonów histonów, w szczególności histonu H3 . Fpr4 to PPIaza z grupy FK507BP, która wykazuje aktywność katalityczną w pozycjach proliny 16, 30 i 38 (również zapisywanych odpowiednio jako P16, P30 i P38) w regionie N-końcowym histonu H3 w Saccharomyces cerevisiae . Powinowactwo wiązania Fpr4 jest najsilniejsze w miejscu P38, następnie w P30, a następnie w P16. Jednakże wydajność katalityczna lub wzrost szybkości izomeryzacji jest najwyższa w równym stopniu przy P16 i P30, a następnie P38, który wykazuje bardzo małą zmianę szybkości izomeryzacji przy wiązaniu Fpr4. Histon H3 ma ważną lizyny w pozycji 36 (również zapisaną jako K36) na N-końcowym ogonie , która może być metylowana przez Set2, metylotransferazę . Metylacja K36 jest kluczem do normalnego wydłużenia transkrypcji . Ze względu na bliskość P38 do K36 może wystąpić wzajemne oddziaływanie między izomeryzacją P38 a metylacją K36. Oznacza to, że zmiany izomerów w pozycji P38 mogą wpływać na metylację w pozycji K36. W cis P38 przesuwa ogon histonu bliżej DNA, zagęszczając obszar wokół ogona. Może to powodować zmniejszenie zdolności białek do wiązania się z DNA i ogonem histonu, w tym uniemożliwiać Set2 metylację K36. Ponadto ten ruch ogona może zwiększyć liczbę interakcji między ogonem histonowym a DNA, zwiększając prawdopodobieństwo nukleosomu i potencjalnie prowadząc do powstania struktura chromatyny wyższego rzędu . W trans P38 prowadzi do odwrotnych skutków: umożliwia Set2 metylację K36. Jednakże na Set2 wpływa tylko izomeryzacja P38 podczas tworzenia trimetylowanego K36 (powszechnie zapisywanego jako K36me3), a nie K36me2. Fpr4 wiąże się również z P32 w H4, chociaż jego działanie jest minimalne.

W komórkach ssaków izomeryzacja H3P30 oddziałuje z fosforylacją H3S28 (seryna w pozycji 28 histonu H3) i metylacją H3K27. hFKBP25 jest PPIazą, która jest homologiem Fpr4 w komórkach ssaków i stwierdzono, że jest powszechnie powiązana z obecnością HDAC . Cyp33 to cyklofilina posiadająca zdolność izomeryzacji reszt proliny H3 w pozycjach P16 i P30. Histony H2A i H2B mają także wiele reszt proliny w pobliżu aminokwasów, które po modyfikacji wpływają na aktywność otaczającą histon.

Interakcje z H3K4me3 i H3K14ac

Izomeryzacja wiązania peptydowego pomiędzy alaniną 15 i proliną 16 histonu H3 jest pod wpływem acetylacji w K14 i może kontrolować stany metylacji K4. K4me3 tłumi transkrypcję genów i zależy od tego, czy metylotransferazy Set1 jest zrównoważona demetylazami Jhd2 w celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania. Acetylacja K14 umożliwia zmianę stanu P16 i przede wszystkim promuje trans P16. Ten trans izomer P16 zmniejsza metylację K4, co powoduje represję transkrypcji. Izomeryzacja P16 ma dalsze skutki polegające na kontrolowaniu wiązania białka z acetylowanym K18. Gdy P16 jest w trans , Spt7 może wiązać się z K18ac, zwiększając transkrypcję.

Interakcje z białkami regulatorowymi genów

Polimeraza RNA II

Izomeryzacja niektórych prolin w polimerazie RNA II ma kluczowe znaczenie w procesie rekrutacji i umieszczania czynników przetwarzających podczas transkrypcji. PPIazy celują w polimerazę RNA II poprzez interakcję z domeną karboksylową Rpb1 lub CTD. Izomeryzacja proliny jest następnie wykorzystywana jako część mechanizmu CTD w celu rekrutacji kofaktorów wymaganych do przetwarzania kotranskrypcyjnego RNA , regulującego aktywność polimerazy RNA II. Nrd1 jest białkiem odpowiedzialnym za wiele aktywności transkrypcyjnych RNAP II, szczególnie poprzez Nrd1 - zależna ścieżka zakończenia. Szlak ten wymaga parwuliny Ess1 lub Pin1, w zależności od organizmu, do izomeryzacji wiązania pSer5-Pro6 w CTD. Bez cis wiązania pSer5-Pro6, utworzonego przez Ess1/Pin1, Nrd1 nie może wiązać się z RNAP II. Wszelkie zmiany w tym procesie prowadzą do zmniejszenia powinowactwa wiązania Nrd1, obniżając zdolność RNAP II do przetwarzania i degradacji niekodującego RNA .

MLL1

Cyp33 u ssaków powoduje izomeryzację w MLL1 . MLL1 to kompleks wielobiałkowy regulujący ekspresję genów, a translokacje chromosomowe z udziałem tego genu często prowadzą do białaczki. Geny docelowe MLL obejmują HOXC8, HOXA9, CDKN1B i C-MYC. MLL ma również dwie domeny wiążące: motywu rozpoznawania RNA Cyp33 (RRM) i domenę PHD3 domena, która wiąże się z H3K4me3 lub Cyp33 RRM. Cyp33 ma zdolność do zmniejszania ekspresji tych genów poprzez izomeryzację proliny przy wiązaniu peptydowym między His1628 i Pro1629 w obrębie MLL. Wiązanie to leży w sekwencji pomiędzy palcem PHD3 MLL1 a bromeodomeną MLL1, a jego izomeryzacja pośredniczy w wiązaniu domeny PHD3 i domeny RRM Cyp33. Kiedy te dwie domeny są związane, transkrypcja ulega tłumieniu poprzez rekrutację deacetylaz histonowych do MLL1 i hamowanie H3K4me3.

Rekrutacja fosfatazy

Fosforylowane aminokwasy odgrywają kluczową rolę w modulowaniu wiązania czynników transkrypcyjnych i innych białek regulatorowych genów . Wpływ Pin1 na izomeryzację reszt proliny prowadzi do zwiększenia lub zmniejszenia rekrutacji fosfataz, mianowicie Scp1 i Ssu72 oraz ich rekrutacji do RNAP II CTD. Tworzenie cis- Pro wiąże się ze wzrostem Ssu72. Scp1 rozpoznaje trans -Pro i taka izomeryzacja nie ma na niego wpływu. Pin1 wyzwala również aktywację kompleksu DSIF i NELF , które są odpowiedzialne za zatrzymanie RNAP II w komórkach ssaków i ich konwersję na dodatnie czynniki wydłużania, ułatwiające wydłużanie. Potencjalnie może to być proces zależny od izomeryzacji.

Regulacja stabilności mRNA

Pin1 , parwulina, reguluje stabilność i ekspresję mRNA w niektórych mRNA eukariotycznych. Te mRNA to GM-CSF, Pth i TGFβ, a każdy z nich ma ARE, czyli elementy cis bogate w AU . Białko wiążące ARE KSRP ma miejsce wiązania Pin1. Pin1 wiąże się z tym miejscem i defosforyluje serynę oraz izomeryzuje wiązanie peptydowe pomiędzy Ser181 i Pro182. Ta izomeryzacja powoduje rozpad mRNA P -th . Uważa się, że KSRP i inne białka wiążące ARE, takie jak AUF1, wpływają na inne mRNA poprzez mechanizmy podobne do Pth , z wymogiem fosforylowanej seryny związanej z proliną w określonej konformacji. Pin1 wyzwala także izomeryzację proliny białka wiążącego pętlę macierzystą (SLBP) , umożliwiając mu kontrolowanie dysocjacji SLBP od mRNA histonu. Prowadzi to do tego, że Pin1 może wpływać na rozpad mRNA histonów. Pin1 wpływa na wiele innych genów w postaci wyciszania genów poprzez zakłócanie szlaków komórkowych, co czyni go ważnym w obrocie mRNA poprzez modulowanie aktywności białka wiążącego RNA.

Trudności w badaniach

Obecnie nie istnieją żadne istniejące związki, które mogłyby naśladować wiązanie peptydowe proliny z innymi aminokwasami, zachowując jedynie konfigurację cis lub trans , ponieważ większość znalezionych związków naśladujących ostatecznie zmieni się z jednego izomeru na inny. Utrudnia to badania nad bezpośrednim wpływem każdego z izomerów na mechanizmy biologiczne. Ponadto faktyczna izomeryzacja proliny jest procesem powolnym, co oznacza, że ​​wszelkie badania wpływu różnych izomerów proliny zajmują dużo czasu.