Prolinisomerisering i epigenetik

Inom epigenetik är prolinisomerisering den effekt som cis-trans- av isomerisering aminosyran prolin har på regleringen av genuttryck . I likhet med asparaginsyra har aminosyran prolin den sällsynta egenskapen att den lätt kan uppta både cis- och transisomerer av dess prolylpeptidbindningar . Peptidyl-prolyl-isomeras , eller PPIas, är ett enzym som mycket ofta förknippas med prolinisomerisering på grund av deras förmåga att katalysera isomeriseringen av proliner. PPIaser finns i tre typer: cyklofiliner, FK507-bindande proteiner och parvulinerna. PPIas-enzymer katalyserar övergången av prolin mellan cis- och transisomerer och är väsentliga för de många biologiska funktionerna som kontrolleras och påverkas av prolylisomerisering (dvs cellsignalering , proteinveckning och epigenetiska modifieringar) Utan PPIaser kommer prolylpeptidbindningar långsamt att växla mellan cis och transisomerer , en process som kan låsa proteiner i en icke-nativ struktur som kan påverka göra proteinet tillfälligt ineffektivt. Även om denna växling kan ske på egen hand, är PPIaser ansvariga för de flesta isomeriseringar av prolylpeptidbindningar. Den specifika aminosyran som föregår prolylpeptidbindningen kan också ha en effekt på vilken konformation bindningen antar. Till exempel, när en aromatisk aminosyra är bunden till en prolin är bindningen mer gynnsam för cis -konformationen. Cyclophilin A använder ett "elektrostatiskt handtag" för att dra prolin in i cis- och transformationer . De flesta av dessa biologiska funktioner påverkas av isomeriseringen av prolin när en isomer interagerar annorlunda än den andra, vilket vanligtvis orsakar ett aktiverings-/deaktiveringsförhållande. Som en aminosyra finns prolin i många proteiner . Detta hjälper till med de många effekter som isomerisering av prolin kan ha i olika biologiska mekanismer och funktioner.

Cellsignalering

Cellsignalering involverar många olika processer och proteiner. Ett av de mest studerade cellsignaleringsfenomenen som involverar prolin är interaktionerna med p53 och prolylisomeraser, speciellt Pin1 . Proteinet p53, tillsammans med p63 och p73 , är ansvariga för att säkerställa att förändringar i genomet korrigeras och för att förhindra bildning och tillväxt av tumörer . prolinrester finns i hela p53-proteinerna och utan fosforylering och isomerisering av specifika serin/treonin-prolin-motiv inom p53 kan de inte uppvisa kontroll över sina målgener. De huvudsakliga signalprocesserna som påverkas av p53 är apoptos och cellcykelstopp, som båda styrs av specifik isomerisering av prolinerna i p53.

Historia och upptäckt

Även om isomerisering av proteiner har varit känt sedan 1968 när den upptäcktes av C. Tanford, upptäcktes prolinisomerisering och dess användning som en icke-kovalent histonsvansmodifiering inte förrän 2006 av Nelson och hans kollegor.

Som en modifiering av histonsvans

En av de mest välkända epigenetiska mekanismerna som prolinisomerisering spelar en roll i är modifieringen av histonsvansar, speciellt de av histon H3. Fpr4 är ett PPIas, i FK507BP-gruppen, som uppvisar katalytisk aktivitet vid prolinpositionerna 16, 30 och 38 (även skrivna P16, P30 respektive P38) på den N-terminala regionen av histon H3 i Saccharomyces cerevisiae . Fpr4:s bindningsaffinitet är starkast vid P38-stället, följt av P30 och sedan P16. Den katalytiska effektiviteten, eller ökningen i isomeriseringshastigheter, är dock högst vid P16 och P30 lika, följt av P38 som uppvisar en mycket liten förändring i isomeriseringshastigheter med bindningen av Fpr4. Histon H3 har en viktig lysinrest i position 36 (även skrivet K36) på den N-terminala svansen som kan metyleras av Set2, ett metyltransferas . Metylering av K36 är nyckeln till normal transkriptionsförlängning . På grund av P38s närhet till K36 kan överhörning mellan P38-isomerisering och K36-metylering förekomma. Detta betyder att isomerförändringar vid P38-positionen kan påverka metylering vid K36-positionen. I cis- position flyttar P38 histonsvansen närmare DNA:t och tränger ihop området runt svansen. Detta kan orsaka en minskning av proteiners förmåga att binda till DNA:t och till histonsvansen, inklusive att förhindra Set2 från att metylera K36. Denna svansrörelse kan också öka antalet interaktioner mellan histonsvansen och DNA:t, vilket ökar sannolikheten för nukleosombildning och potentiellt leda till skapandet av högre ordningens kromatinstruktur . I trans leder P38 till motsatta effekter: tillåter Set2 att metylera K36. Set2 påverkas dock endast av isomerisering av P38 när man skapar en trimetylerad K36 (vanligen skriven som K36me3), och inte K36me2. Fpr4 binder också till P32 i H4, även om dess effekter är minimala.

I däggdjursceller interagerar isomeriseringen av H3P30 med fosforyleringen av H3S28 (serin i 28-positionen av histon H3) och metyleringen av H3K27. hFKBP25 är ett PPIas som är en homolog för Fpr4 i däggdjursceller och som ofta har visat sig vara associerat med närvaron av HDAC . Cyp33 är ett cyklofilin som har förmågan att isomerisera H3-prolinrester vid P16- och P30-positioner. Histonerna H2A och H2B har också flera prolinrester nära aminosyror som när de modifieras påverkar aktiviteten kring histonen.

Interaktioner med H3K4me3 och H3K14ac

Isomeriseringen av peptidbindningen mellan histon H3:s alanin 15 och prolin 16 påverkas av acetyleringen vid K14 och kan kontrollera metyleringstillstånden för K4. K4me3 undertrycker gentranskription och beror på att Set1- metyltransferaskomplexsubenheten Spp1 är balanserad med Jhd2- demetylaserna för korrekt funktion. Acetylering av K14 möjliggör en tillståndsförändring i P16 och främjar primärt trans -tillståndet av P16. Denna trans- isomer av P16 minskar K4-metylering, vilket resulterar i transkriptionsrepression. Isomerisering av P16 har nedströmseffekter av att kontrollera proteinbindning till acetylerad K18. När P16 är i transkonformationen tillåts Spt7 binda till K18ac, vilket ökar transkriptionen.

Interaktioner med genreglerande proteiner

RNA-polymeras II

Prolinisomerisering av vissa proliner i RNA-polymeras II är nyckeln i processen att rekrytera och placera bearbetningsfaktorer under transkription. PPIaser riktar sig mot RNA-polymeras II genom att interagera med den Rpbl- karboxiterminala domänen , eller CTD. Prolinisomerisering används sedan som en del av mekanismen för CTD för att rekrytera kofaktorer som krävs för co-transkriptionell RNA-bearbetning , som reglerar RNA-polymeras II-aktivitet. Nrd1 är ett protein som är ansvarigt för många av de transkriptionella aktiviteterna av RNAP II, specifikt genom den Nrd1 -beroende termineringsvägen. Denna väg kräver parvulin Ess1, eller Pin1 beroende på organismen, för att isomerisera pSer5-Pro6-bindningen i CTD. Utan cis- konformationen av pSer5-Pro6-bindningen, skapad av Ess1/Pin1, kan Nrd1 inte binda till RNAP II. Varje variation från denna process leder till en minskning av Nrd1-bindningsaffinitet, vilket minskar förmågan hos RNAP II att bearbeta och bryta ned icke-kodande RNA .

MLL1

Cyp33 hos däggdjur orsakar isomerisering i MLL1 . MLL1 är ett multiproteinkomplex som reglerar genuttryck och kromosomala translokationer som involverar denna gen leder ofta till leukemi. MLL:s målgener inkluderar HOXC8, HOXA9, CDKN1B och C-MYC. MLL har också två bindande domäner: en Cyp33 RNA-igenkännande motivdomän (RRM) och en PHD3 -domän som binder till H3K4me3 eller Cyp33 RRM. Cyp33 har förmågan att nedreglera uttrycket av dessa gener genom prolinisomerisering vid peptidbindningen mellan His1628 och Pro1629 inom MLL. Denna bindning ligger i en sekvens mellan PHD3-fingret hos MLL1 och bromeodomänen av MLL1, och dess isomerisering förmedlar bindningen av PHD3-domänen och Cyp33 RRM-domänen. När dessa två domäner är bundna undertrycks transkription genom rekrytering av histondeacetylaser till MLL1 och hämning av H3K4me3.

Fosfatasrekrytering

Fosforylerade aminosyror är avgörande för moduleringen av bindningen av transkriptionsfaktorer och andra genreglerande proteiner . Pin1s effekt på isomerisering av prolinrester leder till en ökning eller minskning av rekryteringen av fosfataser, nämligen Scp1 och Ssu72 och deras rekrytering till RNAP II CTD. Cis - Pro-bildningen är förknippad med en ökning av Ssu72. Scp1 på känner igen trans -Pro-formationer och påverkas inte av sådan isomerisering. Pin1 utlöser också aktiveringen av DSIF- komplexet och NELF , som är ansvariga för att pausa RNAP II i däggdjursceller, och deras omvandling till positiva förlängningsfaktorer, vilket underlättar förlängning. Detta kan potentiellt vara en isomeriseringsberoende process.

Reglering av mRNA-stabilitet

Pin1 , ett parvulin, reglerar mRNA-stabilitet och uttryck i vissa eukaryota mRNA. Dessa mRNA är GM-CSF, Pth och TGFβ och var och en av dem har ARE, eller AU-rika cis-element . Det ARE-bindande proteinet KSRP har ett Pin1-bindningsställe. Pin1 binder till detta ställe och defosforylerar serinet och isomeriserar peptidbindningen mellan Ser181 och Pro182. Denna isomerisering orsakar sönderfallet av Pth- mRNA . KSRP och andra ARE-bindande proteiner som AUF1 tros påverka andra mRNA genom mekanismer som liknar Pth, med kravet på ett fosforylerat serin bundet till en prolin i en specifik konformation. Pin1 utlöser också prolinisomerisering av Stem-Loop Binding Protein (SLBP), vilket gör att det kan kontrollera dissociationen av SLBP från histon-mRNA. Detta leder till att Pin1 kan påverka histon-mRNA-sönderfallet. Pin1 påverkar många andra gener i form av gentystnad genom störningar av cellvägar, vilket gör den viktig i mRNA-omsättningen genom att modulera RNA-bindande proteinaktivitet.

Svårigheter med forskning

För närvarande finns det inga befintliga föreningar som kan efterlikna peptidbindningen av prolin till andra aminosyror samtidigt som de endast bibehåller en cis- eller trans -konfiguration eftersom de flesta härmar som hittas så småningom kommer att förändras från en isomer till en annan. Detta gör forskning om den direkta effekten av var och en av isomererna på biologiska mekanismer svårare. Dessutom är den faktiska isomeriseringen av prolin en långsam process, vilket innebär att varje studie av effekterna av de olika isomererna av prolin tar lång tid att slutföra.