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ヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）は、アセチルCoAからアセチル基を転移させてε- N-アセチルリジンを生成することにより、ヒストンタンパク質上の保存されたリジンアミノ酸をアセチル化する酵素である。DNAはヒストンに巻き付いており、ヒストンにアセチル基を転移させることで遺伝子のオンオフを切り替えることができる。一般的に、ヒストンのアセチル化は遺伝子発現を増加させる。
一般的に、ヒストンアセチル化は転写活性化と関連しており、ユークロマチンと結びついています。ユークロマチンは密度が低いため、転写因子がDNA上の調節部位に容易に結合でき、転写活性化を引き起こします。最初に発見されたとき、リジンのアセチル化は通常存在する正電荷を中和し、ヒストンと（負電荷を持つ）DNAとの親和性を低下させ、DNAが転写因子にアクセスしやすくなると考えられていました。その後、リジンのアセチル化やその他のヒストンの翻訳後修飾が、アセチルリジン結合ブロモドメインなどの特定のタンパク質間相互作用ドメインの結合部位を生成することを示す研究結果が出てきました。ヒストンアセチルトランスフェラーゼは、核内受容体や他の転写因子などの非ヒストンタンパク質もアセチル化して遺伝子発現を促進することができます。
HATは、細胞内局在に基づいて従来2つの異なるクラスに分類されています。[ 2 ]タイプA HATは核に存在し、クロマチンのコンテキストでヌクレオソームヒストンのアセチル化を介して遺伝子発現の調節に関与しています。 [ 3 ] これらはブロモドメインを含み、ヒストン基質のアセチル化リジン残基を認識して結合するのに役立ちます。Gcn5、p300/CBP、およびTAF II 250は、転写を促進するためにアクチベーターと協力するタイプA HATの例です。タイプB HATは細胞質に存在し、新しく合成されたヒストンがヌクレオソームに組み立てられる前にアセチル化する役割を担っています。これらのHATは、標的が非アセチル化されているため、ブロモドメインを欠いています。タイプB HATによってヒストンに付加されたアセチル基は、核に入ってクロマチンに組み込まれるとHDACによって除去されます。Hat1は、数少ない既知のB型HATの例の一つである。[ 4 ] このHATの歴史的な分類にもかかわらず、一部のHATタンパク質は複数の複合体または場所で機能するため、特定のクラスに容易には当てはまらない。[ 5 ]
HATは、配列相同性、共通の構造的特徴、および機能的役割に基づいて、いくつかの異なるファミリーに分類できます。Gcn5関連N-アセチルトランスフェラーゼ（GNAT）ファミリーには、Gcn5、PCAF、Hat1、Elp3、Hpa2、Hpa3、ATF-2、およびNut1が含まれます。これらのHATは一般的にブロモドメインの存在によって特徴付けられ、ヒストンH2B、H3、[ 6 ]およびH4 [ 2 ]のリジン残基をアセチル化することがわかっています。GNATファミリーのすべてのメンバーは、触媒HATドメイン内に最大4つの保存モチーフ（AD）があることによって特徴付けられます。これには、アセチルCoAの認識と結合 に重要なArg/Gln-XX-Gly-X-Gly/Ala配列を含む、最も高度に保存されたモチーフAが含まれます。[ 4 ] CモチーフはほとんどのGNATに見られますが、他の既知のHATの大部分には存在しません。[ 5 ] 酵母Gcn5（general control nonderepressible-5）HATは、このファミリーの中で最もよく特徴づけられたメンバーの1つです。N末端ドメイン、高度に保存された触媒（HAT）ドメイン、Ada2相互作用ドメイン、C末端ブロモドメインを含む4つの機能ドメインがあります。PCAF（p300/CBP関連因子）とGCN5は、配列全体にわたって高い相同性を共有する哺乳類GNATです。これらのタンパク質は、酵母Gcn5には存在しない400残基のN末端領域を持っていますが、HAT機能は後者に関して進化的に保存されています。Hat1は最初に同定されたHATタンパク質です。 Elp3は酵母における細胞質HAT活性の大部分を担っており、Hat2という別のサブユニットとの結合によってヒストンH4に強く結合する。Elp3は酵母に見られるA型HATの一例である。RNAポリメラーゼIIホロ酵素の一部であり、転写伸長に関与している。
MYST ファミリーの HAT は、その 4 つの創始メンバーMOZ、Ybf2 (Sas3)、Sas2、およびTip60にちなんで名付けられました。[ 2 ] その他の重要なメンバーには、Esa1、MOF、MORF、およびHBO1があります。これらの HAT は通常、亜鉛フィンガーとクロモドメインの存在によって特徴付けられ、ヒストンH2A、H3、および H4 のリジン残基をアセチル化することがわかっています。いくつかの MYST ファミリータンパク質は、亜鉛フィンガーと、アセチル CoA 結合を促進する GNAT 間で高度に保存されているモチーフ A を含んでいます。[ 4 ] MYST タンパク質の HAT ドメインの N 末端に位置するシステインに富む領域は、亜鉛結合に関与しており、これは HAT 活性に不可欠です。[ 7 ] Tip60 (Tat 相互作用タンパク質、60 kDa) は、HAT 活性を示す最初のヒト MYST ファミリーメンバーでした。酵母で発見された Sas3 は、ヒトで発見された癌遺伝子である MOZ (単球性白血病亜鉛フィンガータンパク質) の相同体です。Esa1 は酵母で発見された最初の必須 HAT であり、MOF はショウジョウバエにおけるその相同体です。後者の HAT 活性は、ショウジョウバエの雄 X 染色体の 2 倍の転写増加 (用量補償) に必要です。ヒト HBO1 (ORC1 に結合した HAT) は、複製起点複合体の構成要素と結合することが示された最初の HAT でした。MORF (MOZ 関連因子) は、全長にわたって MOZ と非常に高い相同性を示します。[ 5 ]試験管内で HAT 活性を低下させる N 末端抑制領域と、HAT ドメインがない場合でも機能する C 末端活性化ドメインが含まれています。
GNAT および MYST ファミリーに属するものに加えて、高等真核生物に典型的に見られる他のいくつかのタンパク質が HAT 活性を示します。これらには、p300/CBP、核内受容体コアクチベーター (例: ACTR/SRC-1)、TAF II 250、TFIIIC、Rtt109、およびCLOCKが含まれます。p300/CBP は後生動物に特異的であり[ 8 ]、複数のジンクフィンガー領域、ブロモドメイン、触媒 (HAT) ドメイン、および他の転写因子と相互作用する領域を含みます。[ 4 ] 重要なことに、HAT ドメインは他の既知の HAT と配列相同性を示さず[ 9 ] 、p300/CBP が転写活性化で機能するために必要です。[ 4 ] さらに、これらのタンパク質は、GNAT のものと類似したいくつかの HAT ドメインモチーフ (A、B、および D) を含みます。また、GNATのHATドメインの配列と相同な新規モチーフEも有している。TFIIICは、RNAポリメラーゼIIIを介した転写に関与する一般的な転写因子の1つである。ヒトタンパク質の3つの構成要素は、独立したHAT活性を持つことが示されている（hTFIIIC220、hTFIIIC110、hTFIIIC90）。[ 10 ] Rtt109は、活性のためにヒストンシャペロンタンパク質との結合を必要とする真菌特異的HATである。 [ 8 ] ヒトTAF II 250およびCLOCKコアクチベーターのHAT活性は、それほど広範には研究されていない。TAF II 250は、 TFIIDのTBP関連因子サブユニットの1つであり、HAT活性に重要なGly-X-GlyパターンをGcn5と共有している。[ 5 ] CLOCKは、 BMAL1と協働してHAT活性を実行する 概日リズムのマスターレギュレーターである。 [ 11 ]
HAT活性を示す重要な核内受容体コアクチベーターは、SRC-1、ACTR、およびTIF-2の3つです。ヒトSRC-1（ステロイド受容体コアクチベーター-1）はp300/CBPおよびPCAFと相互作用することが知られており、そのHATドメインはC末端領域にあります。ACTR（ヒトではRAC3、AIB1、およびTRAM-1としても知られています）は、特にN末端およびC末端（HAT）領域、ならびに受容体およびコアクチベーター相互作用ドメインにおいて、SRC-1と有意な配列相同性を共有しています。[ 5 ] ACTRはp300/CBPおよびPCAFとも相互作用します。前者は、受容体相互作用ドメインでアセチル化することにより、ACTRが受容体に結合して活性化するのを阻止することができます。TIF-2（転写中間因子2、GRIP1としても知られています）は、HAT活性を持つ別の核内受容体コアクチベーターであり、p300/CBPとも相互作用します。
以下に、HATのさまざまなファミリーとその関連メンバー、親生物、マルチサブユニット複合体、ヒストン基質、構造的特徴をまとめた表を示します。[ 2 ] [ 5 ] [ 8 ] [ 10 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
一般的に、HATは、3本のβシートとそれに平行で片側をまたぐ長いαヘリックスからなる構造的に保存されたコア領域によって特徴付けられます。 [ 7 ] [ 8 ] GNATタンパク質のモチーフA、B、Dに対応するコア領域[ 4 ] は、反対側に、特定のHATファミリーに構造的に固有のN末端およびC末端α/βセグメントによって挟まれています。[ 7 ] [ 8 ] 中央のコアと両側のセグメントは、中央のコアの上に溝を形成し、そこにヒストン基質が触媒作用の前に結合することができます。[ 8 ] 中央のコアドメイン（GNATのモチーフA）はアセチルCoAの結合と触媒作用に関与していますが、N末端およびC末端セグメントはヒストン基質の結合を助けます。[ 7 ] 異なる HAT ファミリーの N 末端領域と C 末端領域の配列および/または構造に関連する独自の特性は、ヒストン基質特異性における HAT 間のいくつかの観察された違いを説明するのに役立つ可能性がある。CoA 結合は、Gcn5 の C 末端セグメントを外側に移動させることにより、中央コアのヒストン結合溝を広げることが観察されている。さらに、CoA とタンパク質間の接触は好ましいヒストン-タンパク質接触の形成を促進するため、生体内ではCoA 結合がヒストン結合に先行する可能性が高い。
GNATファミリーのHATは、約160残基のHATドメインと、アセチル化リジン残基に結合するC末端ブロモドメインによって最も顕著に特徴付けられます。[ 7 ] MYSTファミリーのHATは、約250残基の長さのHATドメインを持っています。多くのMYSTタンパク質は、メチル化リジン残基 に結合するN末端クロモドメインに加えて、HAT領域内にシステインに富む亜鉛結合ドメインも持っています。
より広いスケールでは、GNATタンパク質（Gcn5、PCAF）の触媒ドメインの構造は、合計5つのαヘリックスと6つのβストランドからなる混合α/β球状フォールドを示します。[ 4 ] 全体的なトポロジーは万力に似ており、タンパク質の中心コアが基部にあり、N末端とC末端セグメントが側面にあります。
p300/CBP HATは、GNATおよびMYSTファミリーに存在するHATドメインよりも大きなHATドメイン（約500残基）を持っています。[ 7 ] また、ブロモドメインと、他のタンパク質との相互作用を媒介すると考えられる3つのシステイン/ヒスチジンに富むドメインも含まれています。p300/CBPの構造は、中央に7本のβストランドからなるβシートがあり、それを9本のαヘリックスといくつかのループが囲む細長い球状ドメインが特徴です。[ 9 ] アセチルCoA結合に関連する中央コア領域の構造は、GNATおよびMYST HATに関して保存されていますが、この中央コアに隣接する領域には多くの構造的な違いがあります。全体として、構造データは、p300/CBP HATが基質結合に関してGNATおよびMYST HATよりも多様であるという事実と一致しています。
Rtt109の構造は、2つのタンパク質間の配列同一性がわずか7%であるにもかかわらず、p300の構造と非常によく似ている。[ 9 ] 7本のβストランドからなるβシートがαヘリックスに囲まれており、アセチルCoA基質結合に関与するループも存在する。保存された構造にもかかわらず、Rtt109とp300/CBPは機能的に独自である。例えば、前者の基質結合部位は、GNATおよびMYST HATのそれとより類似している。さらに、各酵素の活性部位の残基は異なっており、これは、アセチル基転移に異なる触媒機構を使用していることを示唆している。
HATによって触媒される基本的なメカニズムは、アセチルCoAからヒストン内の標的リジン側鎖のε-アミノ基へのアセチル基の転移を伴う。[ 8 ] HATの異なるファミリーは、このような変換を実行するために独自の戦略を採用している。
GNATファミリーのメンバーは、リジンアミンによるアセチルCoAチオエステル結合への求核攻撃を触媒する一般塩基として機能する保存されたグルタミン酸残基を持っています。[ 8 ] これらのHATは、触媒作用が起こる前に両方の基質（アセチルCoAとヒストン）が結合して酵素と三元複合体を形成する必要がある順序付けられた逐次的なbi-biメカニズムを使用します。アセチルCoAが最初に結合し、次にヒストン基質が結合します。保存されたグルタミン酸残基（酵母Gcn5のGlu173）が水分子を活性化してリジンのアミン基からプロトンを除去し、酵素に結合したアセチルCoAのカルボニル炭素への直接求核攻撃を活性化します。反応後、アセチル化されたヒストンが最初に放出され、次にCoAが放出されます。[ 4 ] [ 8 ]
MYST ファミリーの HAT に属する酵母 Esa1 の研究により、保存されたグルタミン酸およびシステイン残基が関与するピンポン機構が明らかになった。 [ 18 ]反応の最初の段階では、システイン残基がアセチル-CoA のカルボニル炭素に求核攻撃した後、システイン残基がアセチル化される共有結合中間体が形成される。次に、グルタミン酸残基が一般塩基として働き、GNAT が使用する機構と同様の方法で、システインからヒストン基質へのアセチル基の転移を促進する。Esa1 が piccolo NuA4複合体に組み込まれると、触媒作用に対するシステイン残基への依存性が失われるため、この酵素が生理学的に関連する多タンパク質複合体の一部である場合、反応は三元 bi-bi 機構を介して進行する可能性があることが示唆される。
ヒトp300では、Tyr1467が一般酸として働き、Trp1436がヒストン基質の標的リジン残基を活性部位に配向させるのを助けます。[ 8 ] これらの2つの残基はp300/CBP HATファミリー内で高度に保存されており、GNATおよびMYSTファミリーの酵素とは異なり、p300は触媒作用に一般塩基を使用しません。むしろ、p300/CBPファミリーのメンバーは、Theorell-Chance（つまり「ヒットアンドラン」）アセチル転移機構を使用していると考えられます。
Rtt109は、他のHATとは異なるメカニズムを採用している可能性が高い。[ 9 ] この酵母酵素は、ヒストン基質を酵素にアセチル化するために運ぶ役割を担っていると考えられるヒストンシャペロンタンパク質Asf1とVps75が存在しない場合、触媒活性が非常に低い。[ 8 ] さらに、このHATの一般的な酸または塩基はまだ特定されていない。
アセチルCoAおよびヒストン基質ペプチドに結合した複数のHATドメインの構造から、後者はタンパク質の溝に結合し、その溝は基底部の中心コア領域によって形成され、反対側には基質ペプチドとの相互作用の大部分を媒介する可変N末端およびC末端セグメントによって挟まれていることが明らかになった。[ 8 ] これらの可変領域は、さまざまなヒストン基質に対する異なるHATの観察された特異性に少なくとも部分的に関与していると考えられる。
GNATファミリーおよびMYSTファミリーのメンバー、ならびにRtt109は、基質結合に関してかなり無差別なp300/CBPよりも高い基質選択性を示す。[ 8 ] GNATファミリーおよびp300/CBPファミリーのメンバーによる効果的な基質結合および触媒作用には、アセチル化されるリジンの両側の3～5残基のみが必要であるように見えるが、MYSTファミリーHATによる効率的なアセチル化には、基質のより遠位の領域が重要である可能性がある。[ 19 ]
様々なHAT（通常は多サブユニット複合体の文脈において）が、ヒストン中の特定のリジン残基をアセチル化することが示されている。
Gcn5 は他のタンパク質因子が存在しない状態ではヌクレオソームヒストンをアセチル化できません。[ 5 ] しかし、SAGA や ADA のような複合体のコンテキストでは、Gcn5 はヒストン H2B、H3、および H4 内の他の部位 (例えば、H3K9、H3K36、H4K8、H4K16) とともに H3K14 をアセチル化することができます。[ 3 ] [ 4 ] [ 7 ] [ 19 ] Gcn5 と PCAF はどちらも、遊離ヒストンまたはヌクレオソーム内のいずれであっても、H3K14 に対して最も強い部位選択性を示します。[ 4 ] [ 7 ] Hat1 は H4K5 と H4K12 をアセチル化し、Hpa2 は試験管内で H3K14 をアセチル化します。[ 4 ] [ 5 ]
ショウジョウバエでは、MSL複合体のコンテキストでMOFによる雄のX染色体のH4K16のアセチル化は、これらの生物における用量補償のメカニズムとして転写のアップレギュレーションと相関している。[ 2 ] ヒトでは、MSL複合体がゲノム全体のH4K16アセチル化の大部分を実行する。対応する複合体のコンテキストで、Sas2（SAS）とEsa1（NuA4）も、特に染色体のテロメア領域でH4K16のアセチル化を実行する。Sas2は、遊離ヒストン上でin vitroでH3K14をアセチル化することも観察されている。 [ 12 ] Esa1は、遊離ヒストン上でin vitroでH3K14をアセチル化するだけでなく、ヌクレオソームヒストン上でin vitroまたはin vivoでH2AK5、H4K5、H4K8、およびH4K12を アセチル化することもできる。 H2AK7とH2BK16もEsa1によって生体内でアセチル化されることが観察されている。注目すべきは、Sas2もEsa1も遊離酵素として試験管内でヌクレオソームヒストンをアセチル化できないことである。これはSas3にも当てはまり、Sas3は生体内でH3K9とH3K14、およびH2AとH4のリジン残基をアセチル化することが観察されている。MOZもH3K14をアセチル化できる。[ 19 ]
p300/CBPは、4つのヌクレオソームコアヒストンすべてを同程度にアセチル化する。[ 4 ] in vitroでは、H2AK5、H2BK12、H2BK15、H3K14、H3K18、H4K5、およびH4K8をアセチル化することが観察されている。[ 5 ] SRC-1はH3K9とH3K14をアセチル化し、TAF II 230（ヒトTAF II 250のショウジョウバエ相同体）はH3K14をアセチル化し、Rtt109はAsf1またはVps75の存在下でH3K9、H3K23、[ 19 ] およびH3K56をアセチル化する。[ 9 ]
コアヒストンに加えて、特定のHATは転写活性化因子、基本転写因子、構造タンパク質、ポリアミン、核輸送に関与するタンパク質など、他の多くの細胞タンパク質をアセチル化する。[ 4 ] これらのタンパク質のアセチル化は、対応するDNAおよび/またはタンパク質基質との相互作用能力を変化させる可能性がある。アセチル化がこのようにタンパク質の機能に影響を与える可能性があるという考えは、シグナル伝達経路におけるアセチルトランスフェラーゼの役割、およびこの点でキナーゼとリン酸化イベントとの適切な類似性があるかどうかについての調査につながった。
PCAFとp300/CBPは、多くの非ヒストンタンパク質をアセチル化することが観察されている主要なHATです。PCAFの場合、これには非ヒストンクロマチン（高移動度グループ（HMG））タンパク質HMG-N2/HMG17およびHMG-I(Y)、転写活性化因子p53、MyoD、E2F(1-3)、およびHIV Tat、一般的な転写因子TFIIEおよびTFIIFが含まれます。[ 5 ] その他のタンパク質には、 CIITA、Brm（クロマチンリモデラー）、NF-κB（p65）、TAL1/SCL、Beta2/NeuroD、C/EBPβ、IRF2、IRF7、YY1、KLF13、EVI1、AME、ER81、およびアンドロゲン受容体（AR）が含まれます。[ 20 ] PCAFはc-MYC、GATA-2、網膜芽細胞腫（Rb）、Ku70、およびE1Aアデノウイルス蛋白質をアセチル化することも観察されている。[ 21 ] また、自己アセチル化も可能であり、これにより、HAT活性の調節に関与する可能性のあるブロモドメインとの分子内相互作用が促進される。[ 4 ]
p300/CBPは、非ヒストンクロマチンタンパク質HMG1、HMG-N1/HMG14、HMG-I(Y)、転写活性化因子p53、c-Myb、GATA-1、EKLF、TCF、HIV Tat、核内受容体共活性化因子ACTR、SRC-1、TIF-2、および一般転写因子TFIIE、TFIIFなど、多くの非ヒストン基質を持つ。[ 5 ] その他の基質には、転写因子 Sp1、KLF5、FOXO1、MEF2C、SRY、GATA-4、およびHNF-6、[ 12 ] HMG-B2、[ 21 ] STAT3、アンドロゲンおよびエストロゲン (α)受容体、GATA-2、GATA-3、MyoD、E2F(1-3)、p73 α、網膜芽細胞腫 (Rb)、NF-κB (p50、p65)、Smad7、インポーチン-α、Ku70、YAP1、[ 22 ] E1A アデノウイルス蛋白質、および S-HDAg (B型肝炎デルタウイルス小デルタ抗原) が含まれます。[ 21 ] p300/CBPは、 β-カテニン、RIP140、PCNA、DNA代謝酵素 であるフラップエンドヌクレアーゼ-1、チミンDNAグリコシラーゼ、ウェルナー症候群DNAヘリカーゼ、STAT6、Runx1（AML1）、UBF、Beta2/NeuroD、CREB、c-Jun、C/EBPβ、NF-E2 、 SREBP、 IRF2 、Sp3、YY1、KLF13、EVI1、BCL6 、 HNF -4、ER81、FOXO4（AFX）もアセチル化することが観察されている。[ 20 ]
多サブユニット複合体の形成は、HATの基質特異性を調節することが観察されている。[ 12 ] 一般的に、組換えHATは遊離ヒストンをアセチル化できるが、HATはそれぞれの生体内HAT複合体にある場合にのみヌクレオソームヒストンをアセチル化できる。[ 5 ] これらの複合体でHATと結合するタンパク質の一部は、HAT複合体をゲノムの特定領域のヌクレオソームに標的化することによって機能する。[ 2 ] [ 12 ]例えば、HAT複合体（SAGA、NuA3など）は、触媒HATサブユニットがヒストンアセチル化をより効果的に実行できるように、メチル化ヒストンをドッキングサイトとして よく使用することが観察されている。[ 2 ]
さらに、多サブユニットHAT複合体の形成はHATのリジン特異性に影響を与える。[ 12 ] 特定のHATがアセチル化する特定のリジン残基は、それぞれの複合体との結合によって範囲が広くなったり狭くなったりする可能性がある。例えば、MYSTファミリーHATのヒストン基質に対するリジン特異性は、複合体と結合すると狭くなる。対照的に、Gcn5は他のサブユニットと結合してSAGAおよびADA複合体を形成すると、ヒストンH2BとH3の両方の複数の部位をアセチル化する能力を獲得する。[ 4 ] さらに、Rtt109のアセチル化部位特異性は、Vps75またはAsf1との結合によって決定される。[ 19 ] 前者と複合体を形成している場合、Rtt109はH3K9とH3K27をアセチル化するが、後者と複合体を形成している場合は、H3K56を優先的にアセチル化する。[ 8 ]
HATの触媒活性は、(1)調節タンパク質サブユニットとの相互作用と(2)自己アセチル化という2種類のメカニズムによって制御されます。[ 8 ] 特定のHATは複数の方法で制御される可能性があり、同じエフェクターでも異なる条件下では異なる結果をもたらす可能性があります。[ 4 ] HATと多タンパク質複合体の結合が、生体内でのHAT活性と基質特異性の両方を制御するメカニズムを提供することは明らかですが、これが実際にどのように起こるかの分子基盤はまだほとんど不明です。[ 8 ] しかし、データは、結合したサブユニットが、少なくとも部分的には、HAT複合体が天然のヒストン基質に効率的に結合することを促進することによって、触媒作用に寄与する可能性があることを示唆しています。
MYSTファミリーのHAT、p300/CBP、およびRtt109はすべて自己アセチル化によって調節されることが示されている。[ 8 ] ヒトMOF、酵母Esa1およびSas2は保存された活性部位リジン残基で自己アセチル化され、この修飾は生体内での機能に必要である。ヒトp300は、HATドメインの中央に埋め込まれた非常に塩基性のループを含み、酵素の活性型ではこのループが過剰にアセチル化されている。[ 8 ] [ 9 ] 自己アセチル化により、このループは不活性HATに存在する負の基質結合部位から解放されることが提案されている。[ 23 ] 酵母Rtt109のLys290のアセチル化も、完全な触媒活性を示すために必要である。[ 24 ] 一部のHATはアセチル化によって阻害される。例えば、核内受容体コアクチベーターACTRのHAT活性は、p300/CBPによるアセチル化によって阻害される。[ 4 ]
ヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）とヒストンデアセチラーゼ（HDAC）は、配列特異的な転写因子との物理的な相互作用によって標的プロモーターにリクルートされる。これらの酵素は通常、複数のサブユニットからなる複合体内で機能し、その複合体内の他のサブユニットは、結合部位周辺のヒストン残基を修飾するために必要となる。これらの酵素は、ヒストン以外のタンパク質も修飾することができる。
ヒストンアセチルトランスフェラーゼは細胞内で多くの生物学的役割を果たします。クロマチンは核内に存在するタンパク質とDNAの組み合わせであり、 DNA複製、DNA修復、転写などのさまざまな細胞イベントが発生すると、多くの構造変化を受けます。[ 25 ] 細胞内のクロマチンは、凝縮状態と非凝縮状態の2つの状態で存在します。後者はユークロマチンとして知られ、転写活性がありますが、前者はヘテロクロマチンとして知られ、転写不活性です。[ 25 ] [ 26 ] ヒストンはクロマチンのタンパク質部分を構成します。ヒストンタンパク質には、H1、H2A、H2B、H3、H4の5種類があります。コアヒストンは、H1を除く各ヒストンサブタイプの2つが四量体複合体を形成するときに形成されます。この八量体複合体は、その周りに巻き付いた147塩基対のDNAと関連してヌクレオソームを形成します。[ 4 ] ヒストンH1はヌクレオソーム複合体を固定し、複合体内で最後に結合するタンパク質です。
ヒストンは、コアから伸びるN末端テールを持つ正電荷タンパク質である傾向がある。DNAのホスホジエステル骨格は負電荷を帯びているため、ヒストンタンパク質とDNAの間には強いイオン相互作用が生じる。ヒストンアセチルトランスフェラーゼは、ヒストン上の特定のリジン残基にアセチル基を転移させ、その正電荷を中和し、ヒストンとDNAの間の強い相互作用を弱める。[ 25 ] アセチル化は、個々のヌクレオソーム間の相互作用を阻害し、他のDNA関連タンパク質の相互作用部位としても機能すると考えられている。[ 4 ]
ヒストンのアセチル化にはさまざまなレベルがあり、他の種類の修飾も存在するため、細胞は複製、転写、組換え、修復などのさまざまな細胞イベント中にクロマチンパッキングのレベルを制御できます。アセチル化は、クロマチン構造を決定するヒストンの唯一の調節的な翻訳後修飾ではありません。メチル化、リン酸化、ADPリボシル化、ユビキチン化も報告されています。[ 4 ] [ 25 ]ヒストンのN末端テール上のさまざまな共有結合修飾のこれらの組み合わせはヒストンコード と呼ばれており、このコードは遺伝可能であり、次の細胞世代に保存されると考えられています。[ 26 ]
H3 および H4 ヒストンタンパク質は HAT の主要な標的ですが、H2A および H2B も生体内でアセチル化されます。H3 のリジン 9、14、18、および 23、H4 のリジン 5、8、12、および 16 はすべてアセチル化の標的となります。[ 4 ] [ 25 ] ヒストン H2B ではリジン 5、12、15、および 20 がアセチル化されますが、ヒストン H2A ではリジン 5 および 9 のみがアセチル化されることが観察されています。[ 4 ] [ 25 ] [ 26 ] アセチル化の部位が多数あるため、特定の応答を誘発する際に高いレベルの特異性を達成できます。この特異性の例として、ヒストン H4 がリジン 5 および 12 でアセチル化される場合が挙げられます。このアセチル化パターンは、ヒストン合成中に観察されています。別の例としては、ショウジョウバエの雄のX染色体の用量補償と関連付けられているH4K16のアセチル化が挙げられる。[ 2 ] [ 4 ]
ヒストン修飾はクロマチンのパッキングを調節する。DNAのパッキングレベルは遺伝子転写にとって重要であり、転写が起こるためには転写機構がプロモーターにアクセスする必要がある。[ 4 ] HATによる荷電リジン残基の中和によりクロマチンが脱凝縮し、転写機構が転写される遺伝子にアクセスできるようになる。しかし、アセチル化は必ずしも転写活性の増強と関連しているわけではない。例えば、H4K12のアセチル化は凝縮した転写不活性クロマチンと関連付けられている。[ 27 ]さらに、一部のヒストン修飾は、状況依存的に活性の増強と抑制の両方に関連している。[ 28 ]
HATは転写共活性化因子または遺伝子サイレンサーとして機能し、多くの場合、10～20個のサブユニットからなる大きな複合体として存在し、その一部は異なるHAT複合体間で共有されている。[ 25 ] これらの複合体には、SAGA（Spt/Ada/Gcn5Lアセチルトランスフェラーゼ）、PCAF、ADA（転写アダプター）、TFIID（転写因子II D）、TFTC（TBPフリーTAF含有複合体）、およびNuA3/NuA4（H3およびH4のヌクレオソームアセチルトランスフェラーゼ）が含まれる。[ 2 ] [ 25 ] これらの複合体は、HATを標的遺伝子に運び、そこでヌクレオソームヒストンをアセチル化することで、HATの特異性を調節する。[ 25 ] 一部のHAT転写共活性化因子は、アセチル化リジン残基を認識する110アミノ酸モジュールであるブロモドメインを含み、転写調節において共活性化因子と機能的に関連している。 [ 29 ]
ヒストンアセチルトランスフェラーゼはクロマチン構造を操作し、エピジェネティックな枠組みを構築する能力を持つため、細胞の維持と生存に不可欠である。クロマチンリモデリングのプロセスには、ヌクレオソームの再形成を助け、DNA損傷修復システムが機能するために必要なHATを含むいくつかの酵素が関与している。[ 30 ] HATは、特に神経変性疾患において、疾患進行の補助因子として関与している。例えば、ハンチントン病は、運動能力と精神能力に影響を与える疾患である。この疾患に関与していることが知られている唯一の変異は、ハンチンチンタンパク質（htt）のN末端領域にある。[ 31 ] httはHATと直接相互作用し、 in vitroで p300/CBPとPCAFの触媒活性を抑制することが報告されている。
ヒトの早老症候群であるハッチンソン・ギルフォード症候群は、核マトリックスタンパク質であるラミンAの処理における突然変異欠陥によって引き起こされます。この疾患のマウスモデルでは、DNA損傷部位への修復タンパク質の動員が遅れます。この遅延した修復応答の根底にある分子メカニズムには、ヒストンアセチル化の欠陥が関与しています。[ 32 ] 具体的には、ヒストンH4のリジン16残基（H4K16）が低アセチル化されており、この欠陥はヒストンアセチルトランスフェラーゼMofの核マトリックスへの結合の減少によるものです。[ 32 ]
脊髄小脳失調症1型は、欠陥のある変異型アタキシン-1タンパク質の結果として生じる神経変性疾患である。変異型アタキシン-1はヒストンアセチル化を減少させ、ヒストンアセチルトランスフェラーゼを介した転写の抑制を引き起こす。[ 33 ]
HATは学習および記憶機能の制御にも関連している。研究によると、PCAFまたはCBPを欠損したマウスは神経変性の兆候を示すことが示されている。[ 31 ] PCAF欠損マウスは学習能力に問題があり、CBP欠損マウスは長期記憶喪失に苦しんでいるようだ。[ 34 ]
アセチル化と脱アセチル化の平衡の調節異常は、特定のがんの発現とも関連付けられています。ヒストンアセチルトランスフェラーゼが阻害されると、損傷したDNAが修復されず、最終的に細胞死に至る可能性があります。がん細胞内のクロマチンリモデリングプロセスを制御することで、がん研究のための新しい薬剤標的が得られる可能性があります。[ 35 ]がん細胞内のこれらの酵素を攻撃すると、DNA損傷の蓄積が増加するため、アポトーシスが 増加する可能性があります。ヒストンアセチルトランスフェラーゼの阻害剤の1つは、ガルシノールと呼ばれています。この化合物は、ガルシニアインディカ果実（別名マンゴスチン）の果皮に含まれています。ガルシノールのヒストンアセチルトランスフェラーゼへの影響を調べるために、研究者はHeLa細胞を使用しました。細胞に放射線を照射してDNAに二本鎖切断を作り、ガルシノールを細胞に導入して、DNA損傷応答に影響を与えるかどうかを調べました。ガルシノールが、二本鎖切断の修復を優先するDNA修復機構である非相同末端結合のプロセスを阻害することに成功すれば[ 36 ] 、放射線増感剤、つまり放射線損傷に対する細胞の感受性を高める分子として機能する可能性がある。放射線感受性の増加は、放射線療法の有効性を高める可能性がある[ 35 ] 。