Histonideasetylaasi 4 ( Histoni deasetylaasi 4, HDAC4 ) ( EC 3.5.1.98 ) on proteiini , jota ihmisissä koodaa HDAC4 -geeni [2] [3] , joka sijaitsee toisessa kromosomissa . Kuten kaikki sirtuiineja lähellä olevien histonideasetylaasien ryhmän entsyymit , histonideasetylaasi 4 katalysoi asetyyliryhmien poistumista lysiinitähteistä ydinhistonien N-terminaalisessa osassa ( H2A [ en , H2B , H3 ja H4 ), mikä muuttaa kromatiinin rakennetta . Histonin deasetylaatio on yksi transkription ja epigeneettisen säätelyn mekanismeista, se vaikuttaa solusyklin kulkuun ja osallistuu kehityksen säätelyyn [4] . HDAC4:n toimintaa säätelevät erilaiset translaation jälkeiset modifikaatiot ja vuorovaikutukset useiden proteiinien kanssa, joskus kudosspesifisiä. HDAC4:n toiminnan häiriintyminen johtaa monien sairauksien, mukaan lukien syövän , kehittymiseen [5] , joten HDAC4- estäjillä voi olla tärkeitä lääketieteellisiä sovelluksia.
Ihmisillä HDAC4 - geeni sijaitsee 2. kromosomissa (2q37.3) [4] , sen pituus on noin 353,49 kiloemästä (kb), sisältää 37 eksonia [6] ja tuottaa 8980 mRNA - transkriptia. Hiirillä homologinen Hdac4 - geeni on noin 215,7 kb pitkä, sijaitsee kromosomissa 1 ja tuottaa 3960 mRNA-transkriptia. HDAC4 ekspressoituu eri kudoksissa ja ilmentymistaso riippuu erilaisten ärsykkeiden intensiteetistä. Huolimatta HDAC4:n säätelemien prosessien valtavasta määrästä ja tämän proteiinin aktiivisuuden ainutlaatuisista säätelymekanismeista, sen ilmentymisen säätelymekanismeista tiedetään vähän. Transkriptiotekijät Sp1 ja Sp3 sitoutuvat suoraan spesifisiin konsensus GC-rikkaisiin alueisiin HDAC4 - promoottorissa ja ohjaavat HDAC4- transkriptiota . HDAC4 ei ilmenty hiiren alkion kantasolujen ytimissä , mutta solujen erilaistumisen alkaessa sen ilmentymistaso nousee jyrkästi [5] .
On osoitettu, että useat mikroRNA :t osallistuvat HDAC4 :n ilmentymisen säätelyyn , mukaan lukien miR-1, miR-29, miR-140, miR-155, miR-200a, miR-206 ja miR-365, jotka vaikuttavat soluissa. eri tyyppisiä. miR-200a sitoutuu suoraan HDAC4 -mRNA:n 3'-transloitumattomaan alueeseen (3'-UTR) ja tukahduttaa sen ilmentymisen. miR-1 on spesifinen lihassoluille ja stimuloi myogeneesiä vaikuttamalla HDAC4 -mRNA:n 3'-UTR:ään ja vähentämällä HDAC4 :n ilmentymistä . mTOR - proteiini ohjaa MyoD-riippuvaista miR-1-transkriptiota ylävirran tehostajan kautta , ja miR-1-välitteinen HDAC4:n repressio johtaa follistatiinin ja myosyyttifuusioon . Kardiomyosyyttien progenitorisolujen ohimenevä transfektio miR-1:llä ja miR-499:llä vähensi proliferaationopeutta ja aiheutti ihmisen kardiomyosyyttien progenitorisolujen ja alkion kantasolujen lisääntyneen erilaistumisen kardiomyosyyteiksi HDAC4- repression kautta . Lisäksi hepatosellulaarisessa karsinoomassa säädelty miR-22 estää lisääntymistä ja kasvainalttiutta lisäämällä HDAC4 : ää [5] .
Lisäksi miR-206:n ja miR-29:n yli-ilmentyminen vähensi HDAC4 :n ilmentymistä translaatiotasolla sekä transformoivan kasvutekijä-beetan (TGF-β) läsnäollessa että poissa ollessa vuorovaikutuksessa HDAC4 :n 3'-UTR:n kanssa . Lihassolujen erilaistumiseen osallistuvien miR-206:n ja miR-29:n ilmentymistä säätelee negatiivisesti TGF-β, joten myogeenisten solujen käsittely TGF-β:lla lisää HDAC4:n ilmentymistä. miR-29b toimii keskeisenä osteoblastien erilaistumisen säätelijänä vaikuttamalla HDAC4-, TGF-β3-, ACVR2A-, CTNNBIP1- ja DUSP2-proteiineihin. miR-140, joka on spesifinen rustolle , vaikuttaa suoraan HDAC4 :n 3'-UTR:ään . Hiirillä, joista puuttuu miR-140, on kääpiöfenotyyppi heikentyneen kondrosyyttikehityksen vuoksi . mekaanisesti aktivoitu miR-365 liittyy kondrosyyttien erilaistumisen modulaatioon vaikuttamalla suoraan HDAC4 :ään . Siirtogeenisissä hiirissä , joilla on ihmisen miR-155, miR-155 vaikuttaa HDAC4 :ään ja vähentää B-solulymfoomageenin 6 transkriptiota B-soluissa . HDAC4 :n keinotekoisesti tehostettu ilmentyminen ihmisen B-solulymfoomasoluissa vähensi miR-155:n aiheuttamaa proliferaatiota ja lisäsi apoptoosia . Kaikki tämä todistaa HDAC4 :ään spesifisesti vaikuttavien miRNA:iden tärkeästä roolista erityyppisten solujen soluvasteen ja biologisten toimintojen moduloinnissa vasteena erilaisiin ärsykkeisiin [5] .
Ihmisen HDAC4 -geeni koodaa proteiineja, joiden pituus on 972-1084 aminohappotähdettä , kun taas hiiren Hdac4- homologi koodaa 965-1076 aminohappotähdettä. HDAC4 sisältää ainutlaatuisen säätelydomeenin N-päässä , joka on vuorovaikutuksessa erilaisten transkriptiotekijöiden kanssa, ja sinkkiä sisältävän katalyyttisen domeenin C -päässä . Kiderakenteen analyysi osoittaa, että repressorikompleksin muodostumiseen tarvitaan kunnolla laskostunut sinkkiä sitova domeeni. HDAC4 - monomeerin N-terminaalinen alue on konservoitunut ja sisältää runsaasti glutamiinia sisältävän domeenin (19 glutamiinitähteestä 68), joka sopii suoraan alfaheliksiin , joka osallistuu histonideasetylaasi 4 -tetrameerin kokoamiseen. HDAC4-tetrameeri ei niillä on säännöllisesti järjestetyt ei- polaariset aminohappotähteet ja laajennettu hydrofobinen ydin . Sen sijaan alayksiköiden välisen vuorovaikutuksen aikaansaavat monet hydrofobiset saarekkeet, jotka sijaitsevat polaarisia aminohappotähteitä sisältävien alueiden sisällä, ja glutamiinipitoiset alueet osallistuvat monomeerien alfaheliksien laskostumiseen ja niiden vuorovaikutukseen keskenään [7] . C-pään sinkkiä sitovalla domeenilla on keskeinen rooli substraatin tunnistamisessa ja HDAC4:n sitoutumisessa HDAC3-NCoR-repressorikompleksiin. Kiderakenteen yksityiskohtainen analyysi osoitti, että molekyylien välinen disulfidisidos voi muodostua sinkkiä sitovassa domeenissa sijaitsevan kysteiinin 669 ja viereisen molekyylin kysteiinin 700 välille [5] .
HDAC4 :n translaation jälkeiset modifikaatiot voivat muuttaa sen solunsisäistä sijaintia ja sen kanssa vuorovaikutuksessa olevien proteiinien koostumusta. On hyvin tunnettua, että yksi HDAC4:n avaintoiminnoista on kohdegeenin transkription estäminen säätelemällä kromatiinin kondensaatiota ja rakennetta. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet translaation jälkeisten modifikaatioiden kriittisen roolin ohjattaessa soluvasteita, joihin liittyy HDAC4. On osoitettu, että HDAC4 voidaan fosforyloida, sumoyloida, karbonyloida, ubiquitinoida ja pilkkoa erilaisilla entsyymeillä [5] .
FosforylaatioFosforylaatio /defosforylaatio saa aikaan nopean ja tehokkaan luokan IIa histonideasetylaasien (HDAC:iden), joihin HDAC4 kuuluu, repression. Palautuva fosforylaatio on säätelymekanismi, jota tarvitaan HDAC4:n toimintaan. HDAC4 on vuorovaikutuksessa 14-3-3 -proteiiniperheen kanssa , joka sitoutuu spesifisesti fosfoseriinia sisältäviin konservoituneisiin motiiveihin . Näiden seriinitähteiden fosforylaatio luo sitoutumiskohtia 14-3-3-perheen chaperonille , joka seuraa fosforyloitua HDAC4:ää kuljetuksen aikana ytimestä sytoplasmaan . HDAC4 voidaan fosforyloida seuraavilla proteiineilla: CaMK , ERK1/2 , proteiinikinaasi A (PKA) ja GSK3 [5] .
CaMK:n stimulaatio laukaisee myogeneesin tuhoamalla MEF2 -HDAC-kompleksit ja sen jälkeen HDAC:n viennin ytimestä. CaMKII erityisesti HDAC4:ään ainutlaatuisen telakointipaikan kautta . HDAC4:n fosforylaatio seriinitähteissä S246, S467 ja S632 CaMKII:lla tehostaa ydinvientiä ja estää HDAC4:n tumaantuontia, mitä seuraa HDAC4-kohdegeenien tukahduttaminen. Signaalin transduktio endogeenisen CaMKII:n kautta tarvitaan agonistien aiheuttamaa HDAC4:n kertymistä sydänlihassolujen sytosoliin . Kuitenkin PKA fosforyloi HDAC4:n ja säätelee HDAC4- proteolyysiä tyrosiinissa 207, ja myös antagonisoi CaMKII-välitteistä MEF2-aktivaatiota säätelemällä HDAC4-proteolyysiä. HDAC4:n pilkkoutumistuote, joka sisältää edellisen proteiinin N-pään, estää selektiivisesti MEF2: n, mutta ei seerumin vastetekijän (SRF) aktiivisuutta, toimien CaMKII:n antagonistina, mutta vaikuttamatta kardiomyosyyttien eloonjäämiseen. Ras - MAPK - signalointireitin aktivaatio onkogeenisen Ras-proteiinin ilmentymisen aikana tai konstitutiivisesti aktiivisen MAPK/ERK-kinaasi 1:n tapauksessa aiheuttaa HDAC4:n kerääntymisen myoblastiytimeen. GSK3 voi fosforyloida HDAC4:n asemissa 298 ja 302, mikä johtaa HDAC4:n proteasomin hajoamiseen ; näin ollen tämä proteiini toimii tärkeänä HDAC4-stabiilisuuden säätelijänä [5] .
Samoin defosforyloivilla entsyymeillä, proteiinifosfataaseilla , on tärkeä rooli HDAC4:n säätelyssä . In vitro -olosuhteissa HDAC4 defosforyloituu PP2A :lla , joka ensin vuorovaikuttaa HDAC4:n N-pään kanssa ja sitten defosforyloi sen. Säätelemällä HDAC4:n defosforylaatiota useissa seriinitähteissä, mukaan lukien ne, jotka sisältyvät proteiinia sitovaan kohtaan 14-3-3, sekä seriinitähteeseen 298, PP2A kontrolloi HDAC4:n ydintuontia [5] .
KarbonylointiKarbonylaatio tai alkylaatio on tyypillinen translaation jälkeinen modifikaatio soluissa, jotka ovat alttiina oksidatiiviselle stressille . Karbonylaatio on aktiivisen karbonyyliryhmän kovalenttista kiinnittämistä substraattiproteiinin kysteiinitähteiden tioliryhmään . Vasteena ärsykkeille, jotka indusoivat reaktiivisten happilajien muodostumista solussa, kysteiinitähteet 274 ja 276 DnaJb5-proteiinissa ja 667 ja 669 HDAC4:ssä hapettuvat ja muodostavat molekyylinsisäisiä disulfidisidoksia, jotka voidaan sitten pelkistää tioredoksiinilla . - 1. DnaJb5-proteiinin kysteiinitähteiden 274 ja 276 pelkistyminen on välttämätöntä DnaJb5:n ja HDAC4:n vuorovaikutukselle, ja HDAC4:n kysteiinitähteiden 667 ja 669 väheneminen estää sen ydinvientiä fosforylaatioasteesta riippumatta [5 ] .
SumoilingSumoylaatio on SUMO -ryhmän proteiinien kovalenttista kiinnittämistä proteiinin lysiinitähteisiin . Kuten ubikvitinaatiossa , SUMO-proteiinien ( SUMO1 [ , SUMO2 ja SUMO3 ) kiinnittymisellä substraattiproteiineissa oleviin lysiinitähteisiin on kriittinen rooli näiden proteiinien aktiivisuuden ja hajoamisen moduloinnissa. On osoitettu, että SUMO1 tunnistaa HDAC4:n yhdestä lysiinitähteestä (lysiini-559), jossa sumoylaatio tapahtuu. Sen suorittaa E3 SUMO -proteiiniligaasi RANBP2 , eikä se vaikuta HDAC4:n solunsisäiseen jakautumiseen eikä sen vuorovaikutukseen joidenkin proteiinien kanssa, joiden kanssa se normaalisti on vuorovaikutuksessa. Kuitenkin HDAC4, jossa on mutaatio kohdassa 559, toimii merkittävästi huonommin ja tukahduttaa kohdegeenien transkription villityyppiin verrattuna . HDAC4:n sumoylaatiota estää sen CaMK4-fosforylaatio [5] .
UbiquitinaatioTyypillisesti polyubiquitinaatio ohjaa proteasomin hajottamaan proteiineja, kun taas monoubikvitinaatiolla voi olla erilaisia biologisia vaikutuksia. HDAC4:n ubikvitinaatiota ja proteasomaalista hajoamista säätelee GSK3β- fosforylaatio , mutta HDAC4:n ubikvitinaation mekanismia ja biologista merkitystä ei ole vielä selvitetty [5] .
ProteolyysiHDAC4:n liikkumiseen ytimen ja sytoplasman välillä vaikuttaa myös proteolyysi, joka tapahtuu apoptoosin aikana. Kaspaasi-2 ja -3 pilkkovat HDAC4 :n aspartaatissa 289. Kaspaasien pilkkoman HDAC4:n N-terminaalinen fragmentti sisältää tuman lokalisaatiosignaalin ja kerääntyy tumaan, tukahduttaen transkription ja aiheuttaen solukuoleman ja myös toimii vahvana MEF2C:n tukahduttajana. Verrattuna muihin HDAC4:n tumamuotoihin, kaspaasilla leikattu tumafragmentti indusoi solukuolemaa ja sillä on voimakas estävä vaikutus Runx2 - tai SRF-riippuvaiseen transkriptioon, vaikka se ei sisällä C-terminaalista sinkkiä sitovaa domeenia, jota tarvitaan substraatin tunnistamiseen ja sitoutuminen HDAC3 -N-CoR- corepressorikompleksiin . Kaspaasien luoma fragmentti sitoutuu heikosti kromatiiniin , kun taas HDAC4, mutantti 14-3-3-sitoutumiskohdassa, muodostaa vakaampia komplekseja HDAC5- proteiinin kanssa [5] .
Histoneilla on kriittinen rooli geeniekspression säätelyssä. Histonien asetylaatio/deasetylaatio muuttaa kromatiinin rakennetta ja vaikuttaa transkriptiotekijöiden pääsyyn DNA :han . HDAC4 kuuluu histonideasetylaasi/acuc/apha-perheen luokkaan II. Sillä on histonideasetylaasiaktiivisuutta ja se estää transkriptiota sitoutumalla promoottoriin. Tämä proteiini ei sido DNA:ta suoraan, vaan ainoastaan transkriptiotekijöiden MEF2C [ ja MEF2D kautta . Kuten kaikki histonideasetylaasit, HDAC4 vaatii toimiakseen Zn 2+ -ioneja [4] [8] .
Kuten edellä on käsitelty, HDAC4 -geenin ilmentymistä voidaan säädellä transkription ja transkription jälkeisellä tasolla (mikroRNA:iden ja mRNA:n stabiilisuuden säätelyn kautta) sekä proteiinin stabiilisuuden tasolla (proteaasien aiheuttama hajoaminen). HDAC4 kulkee ytimen ja sytoplasman välillä ja toimii myös ytimen corepressorina , joka säätelee luun ja lihasten kehitystä. HDAC4-aktiivisuutta säätelee kaksi päämekanismia: solunsisäinen lokalisaatio ja moniproteiinikompleksien muodostuminen muiden proteiinien kanssa [5] .
Kuten edellä on käsitelty, HDAC4:n liikettä ytimen ja sytoplasman välillä voidaan säädellä translaation jälkeisillä modifikaatioilla. HDAC4:n translokaatiota säädellään myös vuorovaikutuksella kuljetustekijä exportiini 1 :n kanssa, joka tunnetaan myös nimellä CRM1 , joka ohjaa leusiinilla rikastetun tuman vientisignaalin (NES) omaavien soluproteiinien tuman vientiä. Lisäksi nukleoporiini 155 (Nup155), ydinhuokoskompleksin (NPC) pääkomponentti , osallistuu proteiinien liikkumiseen sytoplasman ja ytimen välillä. HDAC4:n uskotaan toimivan transkription korepressorina nukleosomaalisten histonien deasetyloimalla. Koska histonideasetylaasit eivät ole suoraan vuorovaikutuksessa DNA:n kanssa, tällä hetkellä uskotaan, että niiden värväämistä spesifisiin promoottoreihin välittävät DNA:ta sitovat proteiinit , jotka tunnistavat tiettyjä nukleotidisekvenssejä DNA:ssa. HDAC4 on myös vuorovaikutuksessa eri proteiinien kanssa, esimerkiksi HP1 , histonimetyylitransferaasi , erilaiset transkriptiotekijät, jotka määräävät tämän proteiinin toiminnot eri kudoksissa ( katso alla luettelo proteiineista, joiden kanssa HDAC4 on vuorovaikutuksessa ). On olemassa runsaasti todisteita siitä, että histonideasetylaasit, mukaan lukien HDAC4, deasetyloivat histonien lisäksi myös muita proteiineja, mukaan lukien erilaiset transkriptiotekijät, jotka voivat toimia biologisten signalointireittien säätelymekanismina. HDAC4:n sytoplasmiset toiminnot ymmärretään hyvin ja niitä käsitellään alla [5] .
HDAC4 deasetyloi sekä histoni- että ei-histoniproteiineja poistamalla asetyyliryhmiä substraateista sinkkiä sisältävällä katalyyttisellä domeenilla. Reversiibeli asetylaatio histonin 3 (asemat 9, 14, 18 ja 23) ja histonin 4 (asemat 5, 8, 12 ja 16) N-pään lysiinitähteissä aiheuttaa nukleosomien dekondensaatiota, muuttaa histonien vuorovaikutusta DNA:n kanssa, ja lisää DNA:n saatavuutta transkriptiotekijöille. Histonin asetylaation tilaa säätelevät kaksi vastakkaisten proteiinien ryhmää: histoniasetyylitransferaasit (HAT), jotka asetyloivat histoneja, ja histonideasetylaasit, jotka deasetyloivat niitä. Toisin kuin HDAC6, HDAC4 ja HDAC5 ovat vuorovaikutuksessa HDAC3:n ja RbAp48:n kanssa. HDAC-katalyyttisellä domeenilla on taipumus muodostaa moniproteiinikompleksi SMRT-NCoR-HDAC3-corepressorikompleksin kanssa. HDAC4-katalyyttisen domeenin eheys vaaditaan HDAC3-N-CoR-corepressorikompleksin ja sen lisädeasetylaasiaktiivisuuden saamiseksi. Deasetylaasina HDAC4 on inaktiivinen ilman sitoutumista HDAC3:een [5] .
Runx2-proteiini toimii BMP -signalointireitin pääkohteena . BMP-2-signalointireitti stimuloi p300 -välitteistä Runx2-asetylaatiota . Tämä modifikaatio lisää Runx2:n aktiivisuutta ja estää Smurf1 -välitteisen Runx2:n hajoamisen. HDAC4 ja HDAC5 deasetyloivat Runx2:ta, jolloin tämä proteiini voi käydä läpi Smurffin välittämän hajoamisen. HDAC:n esto lisää Runx2:n asetylaatiota, lisää BMP-2- signaloinnin stimuloimaa osteoblastien erilaistumista ja lisää luun muodostumista. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että HDAC4 voi deasetyloida sytoplasmaproteiineja, kuten HIF-1a , MEKK2 ja STAT1 [5] .
Histonin asetylaatio ja metylaatio ovat perusteellisemmin tutkittuja epigeneettisiä merkkejä. Trimetylaatio asemissa H3K4, H3K36 tai H3K79 saa kromatiinin ottamaan eukromatiinille ominaisen aktiivisen muodon . Eukromatiinille on ominaista myös korkea histonin asetylaatioaste. Siksi HDAC:t voivat poistaa epigeneettisiä merkkejä tukahduttamalla transkription. Metyloitu H3K9 luo sitoutumiskohdan kromodomeenia sisältävälle HP1-proteiinille, joka saa aikaan transkription repression ja eukromatiinin siirtymisen heterokromatiiniksi . HDAC4 osallistuu epigeneettiseen geenisäätelyyn vuorovaikutuksen kautta H3K9- metyylitransferaasin SUV39H1:n ja HP1:n kanssa, mikä tarjoaa tehokkaan mekanismin MEF2-kohdegeenien hiljentämiseen sekä deasetyloinnin että metylaation kautta. H3K9:n demetylaatio liittyy läheisesti HDAC4:n liikkumiseen sytoplasman ja ytimen välillä. H3K9:n trimetylaatio stressiolosuhteissa 5'- asetyylikoliiniesteraasin (AChE) promoottorissa on erityisen merkittävää, ja tällaisen histonimerkin kerääntyminen liittyy SUV39H1:n ja HP1:n rekrytoitumiseen promoottoriin (AChE) [5] .
Lisäksi HDAC4 säätelee negatiivisesti MEF2-transkriptiotekijää vuorovaikutuksessa SUMO E2 -konjugoivan entsyymin Ubc9 kanssa. HDAC4:n yli-ilmentyminen johti MEF2:n liialliseen sumoylaatioon in vivo . HDAC4 stimuloi MEF2:n sumoylaatiota samassa lysiinitähteessä, joka asetyloi MEF2-koaktivaattorin, CREBBP - asetyylitransferaasin , joten on mahdollista, että MEF2-asetylaatio ja sumoylaatio ovat vuorovaikutuksessa sen aktiivisuuden säätelemiseksi. Tämä malli on kuitenkin kiistanalainen, ja lisää kokeita tarvitaan sen määrittämiseksi, sumoyloiko HDAC4 suoraan MEF2:ta vai värvääkö se SUMO E2:ta konjugoivaa entsyymiä [5] .
HDAC4 suorittaa olennaisia toimintoja geenin transkription, solujen kasvun, proliferaation ja eloonjäämisen säätelyssä, joten tämän proteiinin ilmentymisen tai toiminnan häiriöt johtavat syövän kehittymiseen [5] .
HDAC4, joka ekspressoituu prehypertrofisissa kondrosyyteissä, säätelee kondrosyyttien hypertrofiaa ja endoklonaalisen luun muodostumista olemalla vuorovaikutuksessa Runx2:n, kondrosyyttien hypertrofiaan vaadittavan transkriptiotekijän, kanssa ja estämällä sen toimintaa . HDAC4-poistohiirillä on ennenaikaista ennenaikaisen ektooppisen kondrosyyttihypertrofian vuoksi; samanlainen fenotyyppi esiintyy yksilöillä, joiden kondrosyyteissä Runx2 ekspressoituu jatkuvasti. Runx2 voidaan asetyloida p300-proteiinilla, ja Runx2:n asetyloitu muoto estää proteiinien ubikvitinoitumisen. HDAC4 ja HDAC5 näyttelevät vastakkaisia rooleja, deasetyloivat Runx2:n ja mahdollistavat proteiinien hajoamisen Smurfista riippuvaisella reitillä. TGF-β estää osteoblastien erilaistumista vaikuttamalla HDAC4:ään ja HDAC5:een, jotka erilaistuvissa osteoblasteissa rekrytoidaan Smad3/Runx2-kompleksiin, joka sijaitsee Runx2:ta sitovassa DNA-sekvenssissä vuorovaikutuksen kautta Smad3 :n kanssa HDAC4:n yli-ilmentyminen stimuloi TGF -β1:n aiheuttamaa kondrogeneesiä synoviaalisissa kantasoluissa , mutta estää hypertrofiaa niistä erottuneissa kondrosyyteissä [5] .
Myogeneesin ensimmäinen vaihe sisältää myoblastien muodostumisen, jotka ilmentävät tiettyä transkriptiotekijöiden sarjaa, mukaan lukien MEF2C. Hiirillä, joista puuttuu MEF2C, havaitaan poikkeavuuksia sydämen morfogeneesissä , ja organismin kehitys pysähtyy silmukan muodostumisvaiheessa sydämen kehityksessä. HDAC4 sitoutuu suoraan MEF2:een estämällä sen toimintaa ja säätelee mesodermisolujen erilaistumista kardiomyoblasteiksi estämällä GATA4:n ja Nkx2-5:n ilmentymistä [ en . HDAC- inhibiittoreiden käsittely aiheuttaa mesodermisolujen spesifikaation tuleviksi sydänlihassoluiksi, mikä voidaan päätellä Nkx2-5-, MEF2C-, GATA4- ja sydämen α-aktiinitranskriptien pitoisuuden kasvusta niissä . Siten HDAC:t estävät mesodermaalisten solujen erilaistumista kardiomyosyyteiksi. HDAC4:n yli-ilmentyminen vaimentaa kardiomyogeneesiä, mistä on osoituksena kardiomyosyyttien kehityksestä vastuussa olevien geenien ilmentymistason lasku [5] .
On osoitettu, että lihassolujen erilaistumisen aikana HDAC4 kontrolloi geenien repressiota värväämällä MEF2:ta repressoitujen geenien promoottoreiksi. MEF-2/HDAC-kompleksin transkription repressio johtuu CaMK-indusoidusta HDAC4:n ja HDAC5:n translokaatiosta sytoplasmaan. Aktiivista CaMKIV:tä yli-ilmentävien siirtogeenisten hiirten sydämissä havaittiin sydämen hypertrofiaa joidenkin alkion transkriptien, esimerkiksi eteisen natriureettisen tekijän , sisällön lisääntyessä ja MEF2C-aktiivisuuden merkittävässä kasvussa [5] .
Kaikkia luustolihasten supistuksia säätelee hermosto . HDAC4 kerääntyy normaalisti neuromuskulaarisiin liitoksiin . Hermotuksen menetys aiheuttaa samanaikaisen HDAC4:n kertymisen lihassolun tumaan ja MEF2:n säätelemien geenien ilmentymisen vähenemisen. Kirurgisessa denervaatiossa tai hermo-lihassairauden , amyotrofisen lateraaliskleroosin , tapauksessa vaaditaan kohonneita HDAC4-tasoja MEF2-riippuvaisten rakennegeenien tehokkaaseen repressioon. Lisääntyneellä HDAC4:n ilmentymisellä on denervaatiota muistuttava vaikutus ja se aktivoi ektooppisen asetyylikoliinireseptorin ( nAChR ) transkription kaikkialla lihaskuidussa. HDAC4:n inaktivointi estää synaptisten nAChR- ja MUSK-reseptorien denervaation aiheuttaman transkription . HDAC4:ää on erityisen runsaasti nopeiden oksidatiivisten luurankolihaskuitujen ytimissä, ja HDAC4-poisto lisää glykolyysiä myoputkissa [5] .
HDAC4 on läsnä useimpien hermosolujen sytoplasman perinukleaarisella alueella , mutta sen sijainti ytimessä vaihtelee. Hampaisessa gyrusssa HDAC4:n ydinekspressiota ei havaita, kun taas muiden vyöhykkeiden hermosolujen ytimet sisältävät HDAC4:n. Normaalisti HDAC4 sijaitsee aivojen hermosolujen ja viljeltyjen pikkuaivojen rakeisten hermosolujen sytoplasmassa . HDAC4 kuljetetaan nopeasti ytimeen vasteena alhaisille kaliumtasoille ja vaarallisille glutamaattitasoille , jotka aiheuttavat hermosolujen kuoleman. Hoito hermosolujen selviytymistekijällä BDNF estää HDAC4:n tuman lokalisoitumisen, kun taas apoptoosia stimuloiva CaMK-inhibiittori edistää HDAC4:n kertymistä tumaan. Lisäksi tumaan lokalisoidun HDAC4:n ektooppinen ilmentyminen stimuloi hermosolujen apoptoosia ja tukahduttaa MEF2- ja CREB-proteiinien toimintaa transkriptiotekijöinä. Histonideasetylaaseilla on tärkeä rooli hermosolujen selviytymisessä ja fotoreseptoreiden kehityksessä . MEF2-HDAC4-transkriptiokompleksi osallistuu hermosolujen eloonjäämiseen ja on ataksiini-1:n kohteena . HDAC:n solunsisäinen sijainti määräytyy hermosolun aktiivisuuden perusteella. Spontaania sähköistä aktiivisuutta tarvitaan HDAC4:n, mutta ei HDAC5:n, ydinvientiin [5] .
HDAC4:n, HDAC5:n ja HDAC9:n (luokka IIa HDAC) on osoitettu osoittavan yllättävän rajoitettua haiman endokriinisten β- ja δ-solujen ilmentymistä . Nämä HDAC:t ovat haiman β/δ-solujen keskeisiä säätelijöitä. HDAC-luokan IIa mutanttihiirten analyysi osoitti, että insuliinia tuottavien β-solujen määrä lisääntyy HDAC5- ja HDAC9-poistohiirissä ja somatostatiinia tuottavat 8-solut HDAC4- ja HDAC5-poistohiirissä. HDAC4:n ja HDAC5:n yli-ilmentyminen johti β- ja δ-solujen määrän laskuun [5] .
Sydämen hypertrofia on sydämen vaste erilaisiin ulkoisiin ja sisäisiin ärsykkeisiin, jotka johtavat biomekaaniseen rasitukseen. Monet sydän- ja verisuonitaudit , mukaan lukien sydäninfarkti , verenpainetauti ja erilaiset sydämen supistumiskyvyn muutokset, johtuvat mutaatioista sarkomeerisissa proteiineissa, ja nämä mutaatiot saavat aikuisen sydämen koon kasvamaan sydänlihassolujen hypertrofisen kasvun vuoksi. Kardiomyosyyteissä HDAC4:n CaMKII-riippuvainen fosforylaatio johtaa hypertrofiseen kasvuun, joka voidaan estää, kun HDAC4 ei reagoi mihinkään signaaleihin. Tutkimukset hiirillä, joista puuttuu miR-22, ovat osoittaneet, että miR-22:ta tarvitaan sydämen hypertrofiseen kasvuun vasteena stressille, ja HDAC4 ja Sirt1 ovat tämän miRNA:n suoria kohteita [5] .
Lisäksi HDAC4 osallistuu myofilamentin supistumisen säätelyyn säätelemällä MLP-deasetylaatiota. HDAC4, HAT ja p300/CREBBP-assosioitunut tekijä ( PCAF ) liittyvät sydämen myofilamentteihin. HDAC4 ja PCAF liittyvät sydämen sarkomeerien Z-levyihin ja I- ja A-kaistoihin. MLP, Z-levyyn liittyvä proteiini, toimii sydämen mekaanisena jännityssensorina ja asetyloidussa muodossaan HDAC4:n ja PCAF:n kohteena [5] .
Huntingtonin tauti (HD) on neurodegeneratiivinen geneettinen sairaus, jossa lihaskoordinaatio on heikentynyt, kognitiivinen heikkeneminen ja psykiatrisia ongelmia esiintyy. On osoitettu, että HD:n tapauksessa miR-22:lla voi olla monipuolinen neurodegeneratiivinen vaikutus, mukaan lukien apoptoosin esto ja vaikutukset geeneihin (mukaan lukien HDAC4, RCOR1 ja Rgs2 ), jotka osallistuvat HD:n kehitykseen [5 ] .
HDAC4:n ali-ilmentyminen verkkokalvon kehityksen aikana johtaa sauvojen ja kaksisuuntaisten interneuronien (BP) apoptoosiin, kun taas yli-ilmentyminen vähentää kuolevien BP-solujen määrää normaaliin verrattuna. Lisäksi hiirillä, joilla oli verkkokalvon rappeuma, HDAC4:n yli-ilmentyminen pidensi fotoreseptoreiden elinikää. Eloonjäämisvaikutus johtui HDAC4-aktiivisuudesta sytoplasmassa [5] .
HDAC4-virheet voivat aiheuttaa brakydaktyylioireyhtymän , johon liittyy henkistä jälkeenjääneisyyttä. Tämän oireyhtymän fyysiset ilmenemismuodot muistuttavat Albrightin perinnöllisen osteodystrofian oireita . Näihin oireisiin kuuluvat lievät kasvosairaudet, synnynnäiset sydänvauriot , tyypin E brakydaktyyli, henkinen jälkeenjääneisyys, kehityksen viivästyminen, epileptiset kohtaukset autismikirjon häiriöt , takkavartalo. Tutkimus, jossa oli 278 skitsofreniapotilasta ja 234 tervettä kontrollia korealaisesta populaatiosta, yhden nukleotidin polymorfismien analyysi osoitti, että HDAC4 -geeni liittyy skitsofrenian kehittymiseen. Ataksia-telangiectasia on hermostoa rappeuttava sairaus, jonka aiheuttaa Atm -geenin mutaatio . Hiirillä, joissa tämä geeni oli viallinen, HDAC4:n kertyminen tumaan johti hermoston rappeutumiseen [5] .
Joissakin akuutin leukemian tapauksissa kromosomaalinen translokaatio , joka johtaa PLZF-proteiinia koodaavan PLZF-geenin fuusioon retinoiinihapporeseptoria RARα [ en ] geenin kanssa, saa aikaan kimeerisen PLZF-RARα-proteiinin, jonka uskotaan tukahduttavan konstitutiivisesti. erilaistumisesta vastuussa olevat geenit. Havaittiin, että HDAC4 on vuorovaikutuksessa leukeemisen proteiinin PLZF-RARa kanssa ja säätelee erilaistumisgeenien repressiota leukemiasoluissa. HDAC-aktiivisuuden estäminen HDAC-estäjillä kliinisissä ja perustutkimuksissa on osoittanut HDAC:n mahdollisen hyödyn syövän hoidossa. BCL6-proteiini on vastuussa eloonjäämisestä ja/tai erilaistumisesta B-solulymfoomassa kromosomaalisten uudelleenjärjestelyjen vuoksi. HDAC4 sitoutuu BCL6 :een ja PLZF :ään in vivo ja in vitro ja säätelee transkription repressiota niiden kautta. On osoitettu, että miR-155-mikroRNA, joka useimmiten yliekspressoituu kasvaimissa ja pahanlaatuisissa hematologisissa sairauksissa, voi sitoutua suoraan HDAC4:n 3'-UTR:ään ja tukahduttaa sen translaation. HDAC4:n ektooppinen ilmentyminen ihmisen B-solulymfoomasoluissa johti miR-155:n aiheuttaman proliferaation vähenemiseen ja lisääntyneeseen apoptoosiin [5] .
HDAC4:n suurin ekspressio havaitaan ohutsuolen ja paksusuolen normaalin epiteelin proliferatiivisessa osassa , ja sen ilmentyminen vähenee erilaistumisen aikana. HDAC4 on vuorovaikutuksessa Sp1:n kanssa ja poistaa asetyyliryhmät histoni H3:sta Sp1/Sp3-sitoutumiskohdassa p21 -proteiinin proksimaalisessa promoottorissa , repressoen transkriptiota. Tämän promoottorin induktio HDAC4:n vaimentamalla pysäytti syöpäsolujen kasvun ja tukahdutti kasvaimen kasvua ihmisen glioblastoomamallissa . X -kytketty kasvainsuppressori FOXP3 tarvitaan p21:n ilmentymiseen normaalissa epiteelissä, ja FOXP3:n puute johtaa p21:n alasäätelyyn, jota esiintyy joissakin rintasyövän tapauksissa . HDAC4:n sitoutuminen ja H3-histonin asetylaation paikallinen lisääntyminen estävät spesifisesti FOXP3:a. Hepatosellulaarisessa karsinoomassa HDAC4:ää säätelee suoraan miR-22. Lisäksi hepatosellulaarisessa karsinoomakudoksessa, jota miR-22 säätelee alas, HDAC4-tasot nousivat. Lisäksi tämän kasvaimen soluissa HDAC4 on myös miR-200a:n kohde [5] .
Munasarjasyövässä havaitaan usein vastustuskykyä platinakemoterapialle , ja on osoitettu, että resistenteissä kasvaimissa HDAC4:n ilmentyminen lisääntyy . PLU-1/ JARID1B , joka on joissakin rintasyövissä säädelty , on vuorovaikutuksessa HDAC4:n kanssa ja ilmentyy yhdessä HDAC4:n kanssa tämäntyyppisissä syöpäsoluissa. On osoitettu, että terveissä virtsarakon kudosnäytteissä HDAC4-positiivisten näytteiden määrä oli merkittävästi pienempi kuin virtsarakon kasvainnäytteissä . Lisäksi HDAC4:n pitoisuus siirtymävaiheen virtsarakon karsinoomissa on merkittävästi korkeampi kuin normaaleissa kudoksissa. HIF1α on välttämätön osa HIF-1-transkriptiokompleksia, joka säätelee angiogeneesiä , solujen aineenvaihduntaa ja voi olla vastuussa syövän kehittymisestä. HIF1a-asetylaatiota säätelee positiivisesti HDAC4 shRNA , mutta ei HDAC1 tai HDAC3 shRNA. HDAC4:n esto vähentää sekä HIF-1:n transkriptionaalista aktiivisuutta että useiden HIF-1-kohdegeenien ilmentymistä ja vähentää vastustuskykyä dosetakselin kemoterapialle . On todettu, että HDAC4 voi olla osallisena osteosarkooman ja paksusuolensyövän kehittymisessä . Taschinimod , kasvainresistentin eturauhassyövän hoitoon tarkoitettu lääke , sitoutuu suoraan HDAC4:ään estäen siten histonin deasetylaatiota ja HDAC4-riippuvaisia transkriptiotekijöitä, kuten HIF-1a [5] .
Tähän mennessä tunnetaan monia histonideasetylaasin estäjiä, jotka kuuluvat eri yhdisteryhmiin. Niitä ovat hydroksamaatit ( tricostiini A , vorinostaatti ), sykliset peptidit ( romidepsiini , apisidiini ), alifaattiset hapot ( butyraatti , fenyylibutyraatti , valproiinihappo ), bentsamidi ja sen johdannaiset. Nämä inhibiittorit ovat epäspesifisiä ja estävät kaikkia HDAC:itä, eivät vain HDAC4:ää. Niiden käyttö saattaa olla lupaavaa erilaisten syöpien hoidossa [9] . Spesifisiä HDAC4-estäjiä tunnetaan myös, erityisesti trifluorimetyyli-1,2,4-oksitsolijohdannaisia. Nämä yhdisteet voivat olla tehokkaita hoidettaessa Huntingtonin tautia, lihaskuntoa ja diabetesta [10] .
HDAC4:n on osoitettu olevan vuorovaikutuksessa seuraavien kanssa:
| Proteiini | Kommentti | Lähteet |
|---|---|---|
| BCL6 | Voi sitoutua HDAC4:n lisäksi myös muihin luokkaan IIa liittyviin HDAC:eihin: HDAC5 ja HDAC7 | [yksitoista] |
| BTG2 | Voi myös sitoutua HDAC1 :een | [12] |
| GATA1 | HDAC:t estävät tätä proteiinia. Se on myös vuorovaikutuksessa HDAC3:n ja HDAC5:n kanssa | [13] |
| HDAC3 | Yhdessä ne ovat osa HDAC3-NCoR-repressorikompleksia | [2] [14] [15] [16] |
| MAPK1 | HDAC4:n lokalisointi riippuu Ras-MAPK-signalointireitistä | [17] |
| MAPK3 | HDAC4:n lokalisointi riippuu Ras-MAPK-signalointireitistä | [17] |
| MEF2C | HDAC4 on estetty | [kahdeksantoista] |
| MEF2A | HDAC4 on estetty | [18] [19] |
| NCOR1 | Yhdessä ne ovat osa HDAC3-NCoR-repressorikompleksia | [14] [20] |
| NCOR2 | Yhdessä ne ovat osa HDAC3-NCoR-repressorikompleksia | [14] [20] |