أستلة وإزالة أستلة الهيستون

إنزيمات أسيتيل ترانسفيراز الهيستون، والمعروفة أيضًا باسم HATs، هي عائلة من الإنزيمات التي تُضيف مجموعة أسيتيل إلى ذيول الهيستون في النيوكليوسوم. وتُعبَّر هذه التعديلات، وغيرها، بناءً على الظروف المتغيرة للبيئة الخلوية. ^{[ 2 ]} وقد تم توثيق العديد من البروتينات ذات القدرة على إضافة مجموعة أسيتيل، وبعد فترة، تم تصنيفها بناءً على أوجه التشابه في تسلسل الأحماض الأمينية بينها. وتكون هذه التشابهات عالية بين أفراد العائلة الواحدة، بينما تُظهر أفراد العائلات المختلفة تشابهًا ضئيلًا جدًا. ^{[ 9 ]} وفيما يلي بعض العائلات الرئيسية التي تم تحديدها حتى الآن.

تُصنّف إنزيمات هيستون ديأسيتيلاز (HDACs) إلى أربع فئات. تشمل الفئة الأولى HDACs 1 و 2 و 3 و 8 . وتنقسم الفئة الثانية إلى مجموعتين فرعيتين: الفئة الثانية أ والفئة الثانية ب. تشمل الفئة الثانية أ HDACs 4 و 5 و 7 و 9، بينما تشمل الفئة الثانية ب HDACs 6 و 10 . أما الفئة الثالثة فتضم السيرتوينات ، والفئة الرابعة تضم HDAC11 فقط . ^{[ 5 ] [ 6 ]} تُقسّم فئات بروتينات HDAC وتُجمّع بناءً على مقارنة تسلسلها مع تسلسلات Rpd3 وHos1 وHos2 لإنزيمات الفئة الأولى، وHDA1 وHos3 لإنزيمات الفئة الثانية، والسيرتوينات لإنزيمات الفئة الثالثة. ^{[ 6 ]}

يعود اكتشاف تأثير أستلة الهيستونات على نشاط النسخ إلى عمل فنسنت ألفري وزملائه عام 1964. ^{[ 14 ]} افترض الفريق أن بروتينات الهيستون المعدلة بمجموعات الأسيتيل تضيف شحنات سالبة إلى بقايا الليسين الموجبة، وبالتالي تقلل التفاعل بين الحمض النووي والهيستونات . ^{[ 15 ]} يُعتبر تعديل الهيستون الآن آلية تنظيمية رئيسية تشارك في العديد من مراحل الوظائف الجينية. [ ^{16 ] يُفهم} حاليًا أن بقايا الليسين المؤستلة على ذيول الهيستون مرتبطة بتنشيط النسخ. في المقابل، ترتبط الهيستونات غير المؤستلة بكبح النسخ. بالإضافة إلى ذلك، وُجدت علاقات عكسية بين العديد من علامات أستلة الهيستون. ^{[ 17 ]}

يُعتقد أن آلية التنظيم ذات شقين. الليسين حمض أميني ذو شحنة موجبة في حالته غير المعدلة. تميل جزيئات الليسين الموجودة على النهايات الأمينية للهستونات إلى إضعاف البنية العامة للكروماتين. تؤدي إضافة مجموعة أسيتيل، التي تحمل شحنة سالبة، إلى إزالة الشحنة الموجبة، وبالتالي تقليل التفاعل بين ذيل الهستون والنيوكليوسوم . ^{[ 18 ]} هذا يفتح النيوكليوسوم، الذي عادةً ما يكون مكتظًا، ويسمح لآلية النسخ بالتفاعل مع قالب الحمض النووي، مما يؤدي إلى نسخ الجينات . ^{[ 1 ] : 242} أما تثبيط نسخ الجينات فيتم عكس هذه الآلية. تُزال مجموعة الأسيتيل بواسطة أحد إنزيمات HDAC أثناء عملية إزالة الأسيتيل، مما يسمح للهستونات بالتفاعل مع الحمض النووي بشكل أكثر إحكامًا لتكوين تجمعات نيوكليوسومية مضغوطة. هذه الزيادة في البنية الصلبة تمنع دمج آلية النسخ، مما يؤدي فعليًا إلى إسكات نسخ الجينات.

Another implication of histone acetylation is to provide a platform for protein binding. As a posttranslational modification, the acetylation of histones can attract proteins to elongated chromatin that has been marked by acetyl groups. It has been hypothesized that the histone tails offer recognition sites that attract proteins responsible for transcriptional activation.^[19] Unlike histone core proteins, histone tails are not part of the nucleosome core and are exposed to protein interaction. A model proposed that the acetylation of H3 histones activates gene transcription by attracting other transcription related complexes. Therefore, the acetyl mark provides a site for protein recognition where transcription factors interact with the acetylated histone tails via their bromodomain.^[20]

The Histone code hypothesis suggests the idea that patterns of post-translational modifications on histones, collectively, can direct specific cellular functions.^[21] Chemical modifications of histone proteins often occur on particular amino acids. This specific addition of single or multiple modifications on histone cores can be interpreted by transcription factors and complexes which leads to functional implications. This process is facilitated by enzymes such as HATs and HDACs that add or remove modifications on histones, and transcription factors that process and "read" the modification codes. The outcome can be activation of transcription or repression of a gene. For example, the combination of acetylation and phosphorylation have synergistic effects on the chromosomes overall structural condensation level and, hence, induces transcription activation of immediate early gene.^[22]

Experiments investigating acetylation patterns of H4 histones suggested that these modification patterns are collectively maintained in mitosis and meiosis in order to modify long-term gene expression.^[8] The acetylation pattern is regulated by HAT and HADC enzymes and, in turn, sets the local chromatin structure. In this way, acetylation patterns are transmitted and interconnected with protein binding ability and functions in subsequent cell generation.

يُعدّ نطاق البرومودومين وحدة بنائية مسؤولة عن تعرف بروتينات إعادة تشكيل النيوكليوسوم على الليسين المؤستل في الهستونات. تجذب التعديلات اللاحقة للترجمة لذيل الهستونات الطرفي N وC عوامل بدء النسخ المختلفة التي تحتوي على نطاقات برومودومين، بما في ذلك المنشط المساعد للنسخ البشري PCAF و TAF1 وGCN5 وبروتين ربط CREB (CBP)، إلى المحفز ، ولها دور هام في تنظيم التعبير الجيني. ^{[ 23 ]} أظهر التحليل البنيوي لعوامل النسخ أن نطاقات البرومودومين المحفوظة بدرجة عالية ضرورية لارتباط البروتين بالليسين المؤستل. يشير هذا إلى أن أستلة موقع محدد في الهستون لها دور تنظيمي في تنشيط نسخ الجينات. ^{[ 24 ]}

يتم تنظيم التعبير الجيني عن طريق أستلة وإزالة أستلة الهيستونات، وينطبق هذا التنظيم أيضًا على الجينات الالتهابية. تتميز أمراض الرئة الالتهابية بتعبير جينات التهابية محددة مثل عامل النسخ NF-κB وعامل النسخ AP-1 . وتؤثر العلاجات بالكورتيكوستيرويدات والثيوفيلين لأمراض الرئة الالتهابية على نشاط إنزيمات HAT/HDAC لإيقاف الجينات الالتهابية. ^{[ 25 ]}

على وجه التحديد، أظهرت بيانات التعبير الجيني زيادة في نشاط إنزيمات HAT وانخفاضًا في مستوى نشاط إنزيمات HDAC لدى مرضى الربو . ^{[ 26 ]} كما أظهر مرضى الانسداد الرئوي المزمن انخفاضًا عامًا في نشاط إنزيمات HDAC مع ثبات مستويات نشاط إنزيمات HAT. ^{[ 27 ]} وقد بينت النتائج أهمية توازن نشاط إنزيمات HAT/HDAC في أمراض الرئة الالتهابية، وقدمت رؤى ثاقبة حول الأهداف العلاجية المحتملة. ^{[ 28 ]}

نظراً للدور التنظيمي للتعديلات فوق الجينية في الجينات أثناء عملية النسخ، فليس من المستغرب أن تُسهم التغيرات في المؤشرات فوق الجينية ، مثل الأسيتلة، في تطور السرطان. يختلف تعبير ونشاط إنزيمات HDAC في الخلايا السرطانية اختلافاً كبيراً عن الخلايا الطبيعية. وقد ثبت أن فرط التعبير وزيادة نشاط إنزيمات HDAC من سمات تكوّن الأورام وانتشارها ، مما يشير إلى دور تنظيمي هام لإزالة أسيتيل الهيستونات في التعبير عن جينات كابتة الأورام. ^{[ 29 ]} ومن الأمثلة على ذلك الدور التنظيمي لأسيتلة/إزالة أسيتيل الهيستونات في بروتين P300 وبروتين CBP، وكلاهما يُسهم في التسرطن . ^{[ 30 ]}

حصل دواء فورينوستات على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) عام 2006 ، وهو يُمثل فئة جديدة من أدوية السرطان قيد التطوير. يستهدف فورينوستات آليات أستلة الهيستون، ويُمكنه تثبيط إعادة تشكيل الكروماتين غير الطبيعية في الخلايا السرطانية بفعالية. تشمل أهداف فورينوستات إنزيمات HDAC1 و HDAC2 و HDAC3 و HDAC6 . ^{[ 31 ] [ 32 ]}

ينعكس توافر مصادر الكربون في أستلة الهيستونات في السرطان. يُعدّ الجلوكوز والجلوتامين المصدرين الرئيسيين للكربون في معظم خلايا الثدييات، ويرتبط استقلاب الجلوكوز ارتباطًا وثيقًا بأستلة الهيستونات وإزالة أستلتها. يؤثر توافر الجلوكوز على مخزون أسيتيل-CoA داخل الخلايا، وهو وسيط استقلابي مركزي يُعدّ أيضًا مانح الأسيتيل في أستلة الهيستونات. يُحوّل الجلوكوز إلى أسيتيل-CoA بواسطة مُركّب نازعة هيدروجين البيروفات (PDC)، الذي يُنتج أسيتيل-CoA من البيروفات المُشتق من الجلوكوز؛ وبواسطة إنزيم أدينوسين ثلاثي الفوسفات-سيترات لياز (ACLY)، الذي يُنتج أسيتيل-CoA من السيترات المُشتقة من الجلوكوز. يعتمد نشاط كل من PDC وACLY على توافر الجلوكوز، مما يؤثر بالتالي على أستلة الهيستونات، ومن ثمّ يُعدّل التعبير الجيني وتقدّم دورة الخلية. يُساهم خلل تنظيم ACLY وPDC في إعادة برمجة الاستقلاب، ويُعزّز تطوّر أنواع عديدة من السرطانات. في الوقت نفسه، يحافظ استقلاب الجلوكوز على نسبة NAD+/NADH، ويشارك NAD+ في إزالة مجموعة الأسيتيل من الهيستونات بوساطة SIRT. يتغير نشاط إنزيم SIRT في العديد من الأورام الخبيثة، ويؤدي تثبيط SIRT6، وهو إنزيم نازع لمجموعة الأسيتيل من الهيستونات يعمل على H3K9 وH3K56 المؤستلين، إلى تعزيز تكوّن الأورام. أما SIRT7، الذي يزيل مجموعة الأسيتيل من H3K18 وبالتالي يثبط نسخ الجينات المستهدفة، فيتم تنشيطه في السرطان لتثبيت الخلايا في الحالة المتحولة. ويبدو أن العناصر الغذائية تُعدّل نشاط SIRT. فعلى سبيل المثال، تُنشّط الأحماض الدهنية طويلة السلسلة وظيفة إزالة مجموعة الأسيتيل من SIRT6، وقد يؤثر ذلك على أستلة الهيستونات. ^{[ 33 ]}

تُعدّ التعديلات اللاجينية لذيل الهيستونات في مناطق محددة من الدماغ ذات أهمية محورية في الإدمان ، وقد ركّزت معظم الدراسات حول الإدمان على أستلة الهيستونات. ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} وبمجرد حدوث هذه التعديلات اللاجينية، يبدو أنها تُشكّل "ندوبًا جزيئية" طويلة الأمد، قد تُفسّر استمرار الإدمان. ^{[ 34 ] [ 37 ]}

عادةً ما يكون مدخنو السجائر (حوالي 21% من سكان الولايات المتحدة ^{[ 38 ]} ) مدمنين على النيكوتين . ^{[ 39 ]} بعد سبعة أيام من معالجة الفئران بالنيكوتين، ازداد أستلة كل من الهيستون H3 والهيستون H4 في مُحفِّز جين FosB في النواة المتكئة بالدماغ، مما أدى إلى زيادة تعبير جين FosB بنسبة 61%. ^{[ 40 ]} وهذا بدوره يزيد من تعبير المتغير المُتَضَمَّن Delta FosB . في النواة المتكئة بالدماغ، يعمل Delta FosB كـ"مفتاح جزيئي مُستدام" و"بروتين تحكم رئيسي" في تطور الإدمان . ^{[ 41 ] [ 42 ]}

يعاني حوالي 7% من سكان الولايات المتحدة من إدمان الكحول . في الفئران التي تعرضت للكحول لمدة تصل إلى 5 أيام، لوحظ ارتفاع في أستلة الليسين 9 في الهيستون 3 في مُحفِّز البرونوسيسيبتين في مُركَّب اللوزة الدماغية . تُعدّ هذه الأستلة علامة تنشيط للبرونوسيسيبتين. يُشارك نظام النوسيسيبتين/ مستقبلات النوسيسيبتين الأفيونية في التأثيرات المُعزِّزة أو المُهيِّئة للكحول. ^{[ 43 ]}

يُعاني حوالي 0.5% من سكان الولايات المتحدة من إدمان الكوكايين . يُحفّز تعاطي الكوكايين المتكرر لدى الفئران فرط أستلة الهيستون 3 (H3) أو الهيستون 4 (H4) في 1696 جينًا في منطقة واحدة من الدماغ تُعرف باسم " النواة المتكئة " (NAc)، وإزالة الأستلة في 206 جينات. ^{[ 44 ] [ 45 ]} وقد وُجد أن 45 جينًا على الأقل، أظهرت دراسات سابقة ارتفاع تعبيرها في النواة المتكئة لدى الفئران بعد التعرض المزمن للكوكايين، مرتبطة بفرط أستلة H3 أو H4. ويرتبط العديد من هذه الجينات الفردية ارتباطًا مباشرًا بجوانب الإدمان المرتبطة بتعاطي الكوكايين. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

في نماذج القوارض، تتسبب العديد من العوامل المسببة للإدمان، بما في ذلك منتجات دخان التبغ ^{[ 47 ]} ، والكحول ^{[ 48 ]} ، والكوكايين ^{[ 49 ]} ، والهيروين ^{[ 50 ]} ، والميثامفيتامين ^{[ 51 ] [ 52 ]،} في تلف الحمض النووي في الدماغ. أثناء إصلاح تلف الحمض النووي، قد تُغير بعض عمليات الإصلاح الفردية أستلة الهستونات في مواقع التلف، أو تُسبب تغيرات فوق جينية أخرى، وبالتالي تترك ندبة فوق جينية على الكروماتين ^{[ 37 ]} . من المرجح أن تُساهم هذه الندوب الفوق جينية في التغيرات الفوق جينية المستمرة الموجودة في حالات الإدمان.

في عام 2013، احتاج 22.7 مليون شخص ممن تبلغ أعمارهم 12 عامًا أو أكثر إلى علاج لمشكلة تعاطي المخدرات غير المشروعة أو الكحول (8.6 بالمائة من الأشخاص الذين تبلغ أعمارهم 12 عامًا أو أكثر). ^{[ 38 ]}

انطلاقاً من فكرة إمكانية تعديل بنية الكروماتين للسماح بوصول مُنشِّطات النسخ أو منعه ، قد يكون للوظائف التنظيمية لأستلة وإزالة أستلة الهيستونات آثارٌ على الجينات المُسبِّبة لأمراض أخرى. وقد تكشف الدراسات حول تعديلات الهيستونات عن العديد من الأهداف العلاجية الجديدة.

استنادًا إلى نماذج مختلفة لتضخم عضلة القلب ، تبيّن أن الإجهاد القلبي قد يؤدي إلى تغييرات في التعبير الجيني ووظائف القلب. ^{[ 53 ]} وتتوسط هذه التغييرات إشارات تعديل ما بعد الترجمة بواسطة إنزيمات أسيتيل ترانسفيراز الهيستون (HATs) وإنزيمات هيستون ديأسيتيلاز الهيستون (HDACs). وقد أُفيد أن مثبط HDAC، تريشوستاتين أ، يقلل من الالتهام الذاتي للخلايا العضلية القلبية الناتج عن الإجهاد . ^{[ 54 ]} ربطت دراساتٌ أجريت على البروتين p300 وبروتين ربط CREB تضخم عضلة القلب بنشاط إنزيمات أسيتيل ترانسفيراز الهيستون الخلوية، مما يشير إلى دور أساسي لحالة أستلة الهيستون في الجينات المستجيبة للتضخم ، مثل GATA4 و SRF و MEF2 . ^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

تلعب التعديلات فوق الجينية دورًا في الاضطرابات العصبية. وقد وُجد أن اختلال تنظيم تعديل الهيستونات مسؤول عن اضطراب التعبير الجيني، وبالتالي يرتبط باضطرابات عصبية ونفسية، مثل الفصام ^{[ 59 ]} ومرض هنتنغتون ^{[ 60 ]} . وتشير الدراسات الحالية إلى أن مثبطات عائلة HDAC لها فوائد علاجية في طيف واسع من الاضطرابات العصبية والنفسية ^{[ 61 ]} . تؤثر العديد من الاضطرابات العصبية على مناطق محددة من الدماغ فقط؛ لذا، لا يزال فهم خصوصية HDACs ضروريًا لإجراء المزيد من الأبحاث بهدف تحسين العلاجات.