WikiDer > HMGN

HMGN

HMGN (Связывание с нуклеосомами группы высокой подвижности) белки являются членами более широкого класса группа высокой мобильности (HMG) хромосомные белки, которые участвуют в регуляции транскрипция, репликация, рекомбинация, и Ремонт ДНК.

HMGN1 и HMGN2 (первоначально обозначенные как HMG-14 и HMG-17 соответственно) были обнаружены исследовательской группой E.W. Johns в начале 1970-х годов.[1] HMGN3, HMGN4, и HMGN5 были обнаружены позже и менее многочисленны. HMGN - это связывающие нуклеосомы белки, которые помогают в транскрипции, репликации, рекомбинации и репарации ДНК. Они также могут изменить хроматин эпигенетический пейзаж, помогающий стабилизировать идентичность клеток.[2] Об их структуре и функциях до сих пор известно относительно мало.[1] Белки HMGN обнаружены у всех позвоночных и играют роль в структуре хроматина и гистон модификация.[3] HMGN состоят из длинных цепочек аминокислот, содержащих около 100 для HMGN1-4 и примерно 200 для HMGN5.[3] Недавние исследования семейства HMGN сосредоточены на их влиянии на идентичность клеток и на том, как уменьшение HMGN связано с индуцированным перепрограммированием эмбриональные фибробласты мыши (MEF).[2]

Функция

Большая часть исследований белков HMGN была проведена in vitro, тогда как о функциях и роли белков HMGN in vivo относительно мало.

Из-за того, что эти белки преимущественно обнаруживаются у высших эукариот, использование микроорганизмов и других низших эукариот считается недостаточным для определения роли белков HMGN in vivo.[4] Было проведено исследование на мышах с нокаутом, чтобы увидеть, какой эффект оказывают белки HMGN на уровне всего организма. Это привело к тому, что мыши показали повышенную чувствительность к УФ-излучению, когда уровень HMGN был ниже нормы (2). Это может указывать на то, что HMGN может способствовать восстановлению повреждений, вызванных УФ-излучением. Такое же повышение чувствительности наблюдалось у мышей при воздействии гамма-излучения, однако клеточные процессы, которые восстанавливают ДНК в любом случае, кардинально различаются, что приводит к неубедительному утверждению, способствуют ли белки HMGN репарации ДНК in vivo.[5]

HMGN1 и HMGN2 не локализуются совместно в живых клетках.[4] Это указывает на возможные различные роли каждого HMGN.[4]

Семья

Семейство белков HMGN. АА - это аминокислоты по длине. На основе рисунка Такаши Фурусавы и Сруджаны Черукури из книги «Функция развития белков HMGN».[6]

Белки HMGN являются частью более широкой группы белков, называемых хромосомными белками группы высокой подвижности (HMG). Эта большая группа была названа так из-за их высокой электрофоретической подвижности в полиакриламидных гелях и разделена на 3 отдельные, но родственные группы, одна из которых - белки HMGN.[7] Семейство HMGN можно далее разделить на специфические белки, такие как HMGN1, HMGN2, HMGN3, HMGN4 и HMGN5. Общий размер белков зависит от каждого конкретного белка, но в среднем HMGN1-4 составляет 100 аминокислот.[1] Тогда как более крупные белки HMGN5 состоят из 300+ аминокислот у мышей и примерно 200 в длину у людей.[3]

HMGN 1 и HMGN 2

HMGN1 и HMGN2 являются одними из самых распространенных белков HMGN. Основная цель и функция - уменьшение уплотнения клеточного хроматина за счет связывания нуклеосом.[8] Данные ЯМР показывают, что снижение уплотнения происходит, когда белки нацелены на основные элементы, ответственные за уплотнение хроматина.[1] У них есть уровни экспрессии, которые коррелируют с дифференцировкой клеток, в которых они присутствуют. Области, которые испытали дифференцировку, имеют пониженные уровни экспрессии по сравнению с недифференцированными областями, где HMGN1 и HMGN2 экспрессируются высоко.[8]

HMGN 3

HMGN3 имеет два варианта: HMGN3a и HMGN3b.[1] В отличие от белков HMGN1 и HMGN2, обе формы HMGN3, как правило, зависят от ткани и развития.[1] Они экспрессируются только в определенных тканях на определенных стадиях развития. Два варианта белков HMGN3 не отдают предпочтения определенной ткани. Существует равная вероятность того, что оба они присутствуют в определенной ткани с высокой экспрессией HMGN3.[8] В частности, мозг и глаза являются областями, в которых сильно экспрессируется HMGN3, а также во взрослых островковых клетках поджелудочной железы.[1] Было показано, что потеря HMGN3 у мышей привела к легкому началу диабета из-за неэффективной секреции инсулина.[9]

HMGN 4

Открытие HMGN4 было сделано GenBank во время поиска в базе данных и идентифицировано как «новый HMGN2-подобный транскрипт», что указывает на то, что HMGN4 тесно связан с HMGN2.[1] Белков HMGN4 было проведено очень мало исследований. Ген, связанный с производством HMGN4, расположен в области, связанной с шизофренией, на хромосоме 6.[8] До этого момента каждый вид HMGN был идентифицирован у позвоночных, но HMGN4 был обнаружен и идентифицирован только у приматов.[1] У людей HMGN4 продемонстрировал высокий уровень экспрессии в щитовидной железе, тимусе и лимфатических узлах.[1]

HMGN 5

Самым последним дополнением к семейству белков HMGN является белок HMGN5. Он больше, чем предыдущие HMGN, содержащие более 300 аминокислот, из-за длинного C-концевого домена, который варьируется в зависимости от вида, что объясняет, почему у мышей и людей размер HMGN5 разный.[1] Его биологическая функция неизвестна, но проявляется в развитии плаценты.[8] Также были случаи, когда HMGN5 присутствовал в опухолях человека, включая рак простаты, рак груди, рак легких и т. Д.[1] По этой причине считается, что HMGN5 может иметь некоторую связь с раком и может стать потенциальной мишенью для лечения рака в будущем.

Связывание белков HMGN с хроматином

Ша К. и Бойер Л. А. Хроматиновая подпись плюрипотентных клеток (31 мая 2009 г.), StemBook, ed. Сообщество исследования стволовых клеток, StemBook, doi / 10.3824 / stembook.1.45.1.
Организация хроматина Ша, К. и Бойер, Л. А., основная книга 2009 г.

Расположение HMGN во время митоза является предметом нескольких исследований. Очень сложно датировать их внутриядерную организацию на различных стадиях клеточного цикла. Существует суперсемейство многочисленных и вездесущих ядерных белков, которые связываются с хроматином без какой-либо известной последовательности ДНК, которое состоит из семейств HMGA, HMBG и HMGN. HMGA связан с хроматином на протяжении всего клеточного цикла, находясь в каркасе метафазной хромосомы. И HMGB, и HMGN связаны с митотической хромосомой. Взаимодействие всех HMG с хроматином очень динамично, белки постоянно перемещаются по ядру.

Образцы нуклеосом для потенциальных сайтов связывания работают по принципу «стоп и вперед», причем шаг «стоп» длиннее, чем шаг «вперед». С помощью исследований иммунофлуоресценции, визуализации живых клеток, анализа сдвига подвижности геля и комплементации бимолекулярной флуоресценции было определено вышеупомянутое, а также путем сравнения свойств связывания хроматина белков дикого типа и мутантных белков HMGN. В заключение, HMGN могут ассоциироваться с митотическим хроматином. Однако связывание HMGN с митотическим хроматином не зависит от функционального нуклеосомного связывающего домена HMGN и слабее, чем связывание с интерфазными нуклеосомами, в которых HMGN образуют специфические комплексы с нуклеосомами.[10]

Конкуренция H1 и ремоделирование хроматина

Схема нуклеосомы со связанным гистоном H1

Нуклеосомы служат в качестве белкового ядра (состоящего из 8 гистонов) для обертывания ДНК, выступая в качестве основы для более крупных и более конденсированных структур хроматина хромосом. Белки HMGN конкурируют с Гистон H1 (линкерный гистон не является частью основной нуклеосомы) для сайтов связывания нуклеосом.[11] Однажды занятый один белок не может вытеснить другой. Однако оба белка не связаны постоянно с нуклеосомами и могут быть удалены с помощью посттранскрипционных модификаций. В случае белков HMGN, Протеинкиназа C (PKC) может фосфорилировать сериновые аминокислоты в нуклеосомном связывающем домене, присутствующем во всех вариантах HMGN.[12] Это придает HMGN подвижный характер, поскольку они постоянно способны связываться и расщепляться с нуклеосомами в зависимости от внутриклеточной среды и передачи сигналов.

Активная конкуренция между HMGN и H1 играет активную роль в ремоделировании хроматина и, как результат, играет роль в клеточном цикле и клеточной дифференцировке, где уплотнение и декомпакция хроматина определяют, экспрессируются ли определенные гены или нет. Ацетилирование гистонов обычно связано с открытым хроматином, а метилирование гистонов обычно связано с закрытым хроматином.

С использованием ChIP-секвенирование можно изучить ДНК в паре с белками, чтобы определить, какие гистоновые модификации присутствуют, когда нуклеосомы связаны либо с H1, либо с HMGN. С помощью этого метода было обнаружено, что присутствие H1 соответствует высоким уровням H3K27me3 и H3K4me3, что означает, что гистон H3 сильно метилирован, что позволяет предположить, что структура хроматина закрыта.[13] Также было обнаружено, что присутствие HMGN соответствует высоким уровням H3K27ac и H3K4me1, наоборот, это означает, что метилирование гистона H3 значительно снижено, что указывает на открытую структуру хроматина.[13]

Транскрипционная активность и клеточная дифференциация

Функциональная компенсация

Хотя роль HMGN все еще изучается, ясно, что отсутствие HMGN в исследованиях нокаута (KO) и нокдауна (KD) приводит к значительному различию общей транскрипционной активности клетки. Было проведено несколько исследований транскриптомов, которые показали, что различные другие гены либо не регулируются, либо подавляются из-за отсутствия HMGN.

Интересно, что в случае HMGN1 и 2 только нокаут HMGN1 или HMGN2 приводит к изменениям только для нескольких генов. Но когда вы нокаутируете и HMGN1, и HMGN2, наблюдается гораздо более выраженный эффект в отношении изменений активности генов. Например, в мозге мышей, когда был отключен только HMGN1, только 1 ген был активирован, когда только HMGN2 был отключен, 19 генов были активированы и 29 генов подавлены. Но когда оба гена HMGN1 и 2 нокаутированы, 50 генов были активированы, а 41 гены подавлены.[13] Если вы просто подсчитаете количество нокаутов HMGN1 и HMGN2, вы не получите таких же результатов, как HMGN1 и 2 DKO (двойной нокаут).

Это описывается как функциональная компенсация, поскольку и HMGN1, и HMGN2 лишь немного различаются по структуре белка и, по сути, делают одно и то же. Они имеют в основном такое же сродство к сайтам связывания нуклеосом. Это означает, что много раз, если HMGN1 отсутствует, HMGN2 может заполнить и наоборот. С помощью ChIP-seq было обнаружено, что в хромосомах мышей имеется 16,5 тыс. Сайтов, в которых могут связываться как HMGN1, так и 2, 14,6 тыс. Сайтов с предпочтением HMGN1 и только 6,4 тыс. Сайтов с предпочтением HMGN2. Различия в активности HMGN1 и HMGN2 выражены в головном мозге, тимусе, печени и селезенке, что позволяет предположить, что варианты HMGN также играют особую роль в дополнение к их перекрывающимся функциям.[13]

Развитие глаз

Эта перекрывающаяся функциональность может казаться избыточной или даже вредной, однако эти белки являются неотъемлемой частью различных клеточных процессов, особенно дифференцировки и эмбриогенеза, поскольку они обеспечивают средства для динамического моделирования хроматина. Например, у эмбрионов мышей во время развития глаз HMGN1,2 & 3.[14] Экспрессия HMGN1 повышается на начальных стадиях развития глаза в клетках-предшественниках, но снижается во вновь образованных и обреченных клетках, таких как клетки волокон хрусталика. HMGN2, напротив, остается повышенным как в эмбриональных, так и в взрослых клетках глаза. Было обнаружено, что HMGN3 особенно повышается через 2 недели (для взрослой мыши) во внутренних ядерных и ганглиозных клетках. Это показывает неравномерное распределение HMGN в предопределенных и взрослых клетках.

Развитие мозга / ЦНС

Дифференцировка олигодендроцитов зависит от HMGN

Было показано, что в развитии человеческого мозга HMGN являются критическим компонентом нейральной дифференцировки, и их количество повышается в нервных стволовых клетках (клетках-предшественниках нейронов). Например, в исследовании нокдауна потеря HMGN1,2 и 3 привела к снижению популяции астроцитов и увеличению популяции нейральных клеток-предшественников.[15]

В дифференцировке олигодендроцитов HMGN имеют решающее значение, поскольку, когда HMGN1 и 2 оба нокаутированы, популяция олигодендроцитов в ткани позвоночника снижается на 65%.[16] Однако из-за функциональной компенсации этот эффект не наблюдается, когда выбиваются только HMGN1 или HMGN2. Это наблюдение, если не просто корреляция. С помощью анализа ChIP-seq показано, что моделирование хроматина в генах OLIG1 и 2 (факторы транскрипции, участвующие в дифференцировке олигодендроцитов) находится в открытой конформации и имеет HMGN, связанные с нуклеосомами.

Можно сделать вывод, что эта избыточность действительно полезна, поскольку присутствие по крайней мере одного варианта HMGN значительно улучшает дифференциацию и развитие тканей. Эти результаты обобщены на рисунке справа.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Гонсалес-Ромеро Р., Эйрин-Лопес Дж. М., Аусио Дж. (Январь 2015 г.). «Эволюция белков, связывающих нуклеосомы с высокой подвижностью, и ее значение для специализации хроматина позвоночных». Молекулярная биология и эволюция. 32 (1): 121–31. Дои:10.1093 / молбев / мсу280. ЧВК 4271525. PMID 25281808.
  2. ^ а б Хэ Б, Дэн Т., Чжу И., Фурусава Т., Чжан С., Тан В., Постников Ю., Амбс С., Ли С.К., Ливак Ф., Ландсман Д., Бустин М. (декабрь 2018 г.). «Связывание белков HMGN с клеточно-специфическими энхансерами стабилизирует идентичность клеток». Nature Communications. 9 (1): 5240. Bibcode:2018НатКо ... 9.5240ч. Дои:10.1038 / s41467-018-07687-9. ЧВК 6286339. PMID 30532006.
  3. ^ а б c Куглер Дж. Э., Дэн Т., Бустин М. (июль 2012 г.). «Семейство хроматин-связывающих белков HMGN: динамические модуляторы эпигенетических процессов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - механизмы регуляции генов. 1819 (7): 652–6. Дои:10.1016 / j.bbagrm.2012.01.013. ЧВК 3371129. PMID 22326857.
  4. ^ а б c West KL (декабрь 2004 г.). «Белки HMGN играют роль в репарации ДНК и экспрессии генов в клетках млекопитающих». Сделки Биохимического Общества. 32 (Pt 6): 918–9. Дои:10.1042 / BST0320918. PMID 15506924.
  5. ^ Постников Ю., Бустин М. (январь 2010). «Регуляция структуры и функции хроматина белками HMGN». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - механизмы регуляции генов. 1799 (1–2): 62–8. Дои:10.1016 / j.bbagrm.2009.11.016. ЧВК 2818575. PMID 19948260.
  6. ^ Черукури, Сруджана; Фурусава, Такаши (январь 2010 г.). «Функция развития белков HMGN». Biochim Biophys Acta. 1799 (1–2): 69–73. Дои:10.1016 / j.bbagrm.2009.11.011. ЧВК 2818498. PMID 20123069.
  7. ^ Бустин М (март 2001 г.). «Пересмотренная номенклатура хромосомных белков группы высокой подвижности (HMG)». Тенденции в биохимических науках. 26 (3): 152–3. Дои:10.1016 / s0968-0004 (00) 01777-1. PMID 11246012.
  8. ^ а б c d е Фурусава Т., Черукури С. (январь 2010 г.). «Функция развития белков HMGN». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - механизмы регуляции генов. 1799 (1–2): 69–73. Дои:10.1016 / j.bbagrm.2009.11.011. ЧВК 2818498. PMID 20123069.
  9. ^ Уэда Т., Фурусава Т., Курахаши Т., Тессаролло Л., Бустин М. (октябрь 2009 г.). «Нуклеосомный связывающий белок HMGN3 модулирует профиль транскрипции бета-клеток поджелудочной железы и влияет на секрецию инсулина». Молекулярная и клеточная биология. 29 (19): 5264–76. Дои:10.1128 / MCB.00526-09. ЧВК 2747976. PMID 19651901.
  10. ^ Черукури С., Хок Р., Уэда Т., Катез Ф., Рохман М., Бастин М. (май 2008 г.). «Зависимое от клеточного цикла связывание белков HMGN с хроматином». Молекулярная биология клетки. 19 (5): 1816–24. Дои:10.1091 / mbc.E07-10-1018. ЧВК 2366855. PMID 18287527.
  11. ^ Катез Ф., Браун Д. Т., Мистели Т, Бустин М. (август 2002 г.). «Конкуренция между белками гистона H1 и HMGN за сайты связывания хроматина». EMBO отчеты. 3 (8): 760–6. Дои:10.1093 / embo-reports / kvf156. ЧВК 1084210. PMID 12151335.
  12. ^ Катез Ф., Лим Дж. Х., Хок Р., Постников Ю. В., Бустин М. (июнь 2003 г.). «Динамика HMGN и функция хроматина». Биохимия и клеточная биология. 81 (3): 113–22. Дои:10.1139 / o03-040. PMID 12897844.
  13. ^ а б c d Дэн Т., Чжу З.И., Чжан С., Постников Ю., Хуанг Д., Хорш М., Фурусава Т., Бекерс Дж., Розман Дж., Клингенспор М., Амари О., Грау Дж., Ратколб Б., Вольф Э, Адлер Т., Буш Д.Х., Гайлус- Durner V, Fuchs H, Hrabě de Angelis M, van der Velde A, Tessarollo L, Ovcherenko I, Landsman D, Bustin M (сентябрь 2015 г.). «Функциональная компенсация среди вариантов HMGN модулирует сайты гиперчувствительности к ДНКазе I на энхансерах». Геномные исследования. 25 (9): 1295–308. Дои:10.1101 / гр.192229.115. ЧВК 4561489. PMID 26156321.
  14. ^ Люси, Мишель (июль 2008 г.). «Дифференциальная экспрессия семейства белков хроматина HMGN во время развития глаз». Паттерны экспрессии генов. 8 (6): 433–437. Дои:10.1016 / j.gep.2008.04.002. ЧВК 2525792. PMID 18502697.
  15. ^ Нагао, Мотоси (28 июля 2014 г.). «Белки семейства с высокой подвижностью, связывающие нуклеосомы, способствуют дифференцировке астроцитов в клетках-предшественниках нейронов». Стволовые клетки. 32 (11): 2983–2997. Дои:10.1002 / шток.1787. PMID 25069414.
  16. ^ Бастин, Майкл (6 декабря 2016 г.). «Взаимодействие между H1 и HMGN эпигенетически регулирует экспрессию OLIG1 и 2 и дифференцировку олигодендроцитов». Исследования нуклеиновых кислот. 45 (6): 3031–3045. Дои:10.1093 / нар / gkw1222. ЧВК 5389484. PMID 27923998.

внешняя ссылка