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Istone deacetilasi |
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Molecola del mese di settembre 2023 L'enzima istone deacetilasi regola l'accesso all'informazione genetica modificando gli istoni (by Jessica Damanski et al)  Introduzione
Il genoma umano contiene la maggior parte delle informazioni necessarie ad ogni cellula del nostro corpo per funzionare. Accade, però, che differenti tipi di cellule richiedono differenti tipi di informazioni. Per esempio, i neuroni devono costruire dei canali ionici controllati dal voltaggio (mdm 6-2020), mentre le cellule muscolari devono produrre molta actina e miosina (mdm 1-2020). Le cellule producono le loro strutture caratteristiche facendo esprimere in modo selettivo i geni necessari a generarle. L'accesso al DNA è controllato da quanto strettamente questo è avvolto attorno agli istoni nei nucleosomi. Gli istoni sono proteine basiche, ricche di lisine e arginine con carica positiva, attorno alle quali si avvolge il DNA, ricco di gruppi fosfato negativi, che così assume una struttura più compatta, detta cromatina, che serve anche a silenziare i geni. Gli istoni, con le lisine deacetilate, possono formare delle regioni più compatte di cromatina che silenzia i geni in modo più efficiente. Controllare la deacetilazione Gli enzimi istone deacetilasi (HDAC) sono una famiglia di enzimi che si trova prevalentemente nel nucleo dove catalizza la rimozione dei gruppi acetile dalle lisine sulla coda N-terminale degli istoni. Ci sono due diverse famiglie di questi enzimi: la famiglia mostrata qui sopra usa uno ione zinco come cofattore per catalizzare la reazione di deacetilazione, mentre le sirtuine (mdm 7-2017) usano come cofattore il NAD. Quando un HDAC rimuove i gruppi acetile dalle lisine degli istoni questi diventano più carichi positivamente e avvolgono più strettamente attorno sè il DNA carico negativamente. Questo impedisce l'accesso ai fattori di trascrizione e così inibisce l'espressione dei geni che si trovano in quel tratto di DNA. L'acetilazione e gli enzimi HDAC non agiscono solo sugli istoni, ma sono usati anche per modulare la funzione di molte altre proteine come il soppressore di tumore p53 (mdm 7-2002) e i microtubuli (mdm 7-2014). Colpire HDAC Gli enzimi HDAC svolgono un ruolo nello sviluppo e nella crescita di molti tipi di tumore perché influenzano la trascrizione di oncogeni e di geni soppressori di tumore. Si è osservato che alti livelli di HDAC sono collegati con la bassa sopravvivenza dei pazienti con tumore e quindi gli inibitori di HDAC sono diventati dei promettenti candidati come farmaci antitumorali. Una molecola scoperta nei batteri, la tricostatina A, è stata la molecola di partenza per lo sviluppo di farmaci per bloccare HDAC. La tricostatina A (verde) si lega nel sito attivo di molti HDAC, come si vede nelle strutture mostrate qui sopra di HDAC8, HDAC7 e HDAC6 (file PDB 1t64, 3c10, 5edu). Molti farmaci antitumorali sono stati sviluppati per migliorare l'azione della tricostatina A e sono usati attualmente nella chemioterapia.  Lavoro
di squadraCome altre proteine coinvolte nella regolazione dell'espressione genica, anche HDAC non lavora da sola, ma è inglobata in complessi proteici di composizione variabile a seconda del tipo di cellula. Le proteine che costituiscono questi complessi sono reclutate dai fattori di trascrizione e aiutano HDAC ad individuare nel DNA il sito da regolare. Queste proteine hanno compiti diversi come regolare l'attività di HDAC, aumentare la sua attività catalitica e agire come ponti per legare altri enzimi e proteine. Il complesso mostrato qui a lato (file PDB 6z6p) è stato ottenuto da cellule di lievito e include molti enzimi Hda che sono simili agli HDAC umani. Hda2 e Hda3 non hanno attività catalitica e creano una struttura a forma di V (verde) che trattiene un dimero Hda1-Hda1' (blu). In questo complesso, Hda1 è attivato e si trova nella giusta posizione per rimuovere il gruppo acetile dalle lisine nelle code ammino-terminali dell'istone (rosso) attorno al quale è avvolto il DNA (giallo). Esplorando la struttura  Molti
inibitori di HDAC vengono usati attualmente come farmaci antitumorali.
Questi agiscono imitando la struttura della lisina acetilata, il bersaglio
naturale di HDAC. La prima immagine qui a fianco ci mostra come HDAC8 riconosce la lisina acetilata (file PDB 2v5w). Una ione zinco coordina il gruppo acetile (giallo) e lo posiziona sia vicino agli amminoacidi che idrolizzano il legame con l'acetile (le due istidine mostrate in magenta) sia vicino ad una molecola di acqua (ciano) che aiuta la reazione di idrolisi dell'acetile. Gli inibitori imitano sia la struttura del gruppo acetile, sia quella dell'acqua e così si legano fortemente allo ione zinco come si vede nell'immagine in centro che mostra HDAC8 che si è legato alla tricostatina A (file PDB 1t64), un inibitore naturale estratto dal batterio Streptomyces hygroscopicus, e nell'immagine sulla destra che mostra HDAC8 legato al farmaco Vorinostat (file PDB 1t69) già approvato dalla FDA. Spunti per ulteriori esplorazioni Usate lo strumento di confronto tra strutture per esplorare le somiglianze e le differenze tra diversi enzimi HDAC, per esempio tra HDAC6, HDAC7, HDAC8 (file PDB 5edu, 3c10, 1t64). Le code degli istoni sono molto flessibili e quindi le coordinate dei loro atomi non compaiono nei file PDB. Usate la visione della sequenza per capire quali parti della proteina sono rappresentate in ogni file PDB, per esempio esaminate l'istone H3.2. Infine, esaminate la struttura particolarmente completa del file PDB 1kx5.  Bibliografia1t64, 1t69: Somoza, J. R., Skene, R. J., Katz, B. A., Mol, C., Ho, D. J., Jennings, A. J., Luong, C., Arvai, A., Buggy, J. J., Chi, E., Tang, J., Sang, B., Verner, E., Wynands, R., Leahy, E. M., Dougan, D. R., Snell, G., Navre, M., Knuth, M. W., Swanson, R. V., McRee, D. E., Tari, L. W. (2004) Structural snapshots of human HDAC8 provide insights into the Class I histone deacetylases. Structure 12: 1325-1334. 2v5w: Vannini, A., Volpari, C., Gallinari, P., Jones, P., Mattu, M., Carfi, A., Defrancesco, R., Steinkuhler, C., Di Marco, S. (2007) Substrate binding to histone deacetylases as revealed by crystal structure of Hdac8-substrate complex. EMBO Rep 8: 879-884. 3c10: Min, J., Schuetz, A., Loppnau, P., Weigelt, J., Sundstrom, M., Arrowsmith, C.H., Edwards, A.M., Bochkarev, A., Plotnikov, A.N., Structural Genomics Consortium (SGC) (2008) Crystal structure of catalytic domain of human histone deacetylase HDAC7 in complex with trichostatin A (TSA). J Biol Chem 283: 11355-11363. 5edu: Hai, Y., Christianson, D.W. (2016) Crystal structure of human histone deacetylase 6 catalytic domain 2 in complex with trichostatin A. Nat Chem Biol 12: 741-747. 6z6p: Lee, J.-H., Bollschweiler, D., Schafer, T., Huber, R. (2021) Structural basis for the regulation of nucleosome recognition and HDAC activity by histone deacetylase assemblies. Sci Adv 7: eabd4413. Delcuve, G. P., Khan, D. H., Davie, J. R. (2012). Roles of histone deacetylases in epigenetic regulation: emerging paradigms from studies with inhibitors. Clin Epigenetics 4:5. Kim, E., Bisson, W.H., Lohr, C.V., Williams, D.E., Ho, E., Dashwood, R.H., Rajendran, P. (2016) Histone and non-histone targets of dietary deacetylase inhibitors. Curr Top Med Chem 16, 714-731. Li, Y., Seto, E. (2016) HDACs and HDAC Inhibitors in cancer development and therapy. Cold Spring Harb Perspect Med 6: a026831. Hai, Y., Shinsky, S.A., Porter, N. J., Christianson, D.W. (2017) Histone deacetylase 10 structure and molecular function as a polyamine deacetylase. Nat Comm 8:15368. Milazzo, G., Mercatelli, D., Di Muzio, G., Triboli, L., De Rosa, P., Perini, G., Giorgi, F. M. (2020) Histone deacetylases (HDACs): Evolution, specificity, role in transcriptional complexes, and pharmacological actionability. Genes (Basel) 11: 556. Park, S., Kim, J. (2020) A short guide to histone deacetylases including recent progress on class II enzymes. Exp Mol Med 52: 204-212.
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