Im Jahr 2009 veröffentlichte eine Gruppe Wissenschaftler unter Prof. Dr. Matthias Mann (Choudhary et al., 2009) eine Arbeit, in welcher sie eine Proteomanalyse mittels hochauflösender Massenspektrometrie einiger Zelllinien durchführten. In dieser Arbeit konnten sie 1750 Proteine mit 3600 Lysin Acetylierungsstellen identifizieren. Unter diesen Proteinen sind 18 Faktoren des Kerntransportes zu finden, welche in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die Acetylierung von Lysinseitenketten in Faktoren des Kerntransport war bis zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt.
Tabelle 1: Acetylierte Proteine im Kerntransport
Importin subunit beta-1; KPNB1;NTF97 4 K867, K835, K211, K871
Exportin-2(CSE1L;CAS;XPO2) 3 K574, K824, K158
Exportin-T;tRNAexportin(XPOT) 2 K635, K628
Exportin-5;Ran-binding protein 21 1 K396
Nucleoporin 50 kDa (Nup50) 3 K83, K275, K276
Nucleoporin NUP188 homolog 1 K38
Nuclear pore complex protein Nup153 4 K384, K954, K718, K1120 Ran GTPase-activating protein 1
Nuclear envelope pore membrane protein POM 121
1 K714
Nuclear pore complex protein Nup205 (Nup205)
2 K41, K44
Nuclear pore complex protein Nup214 (Nup214)
1 K143
Unter den 18 identifizierten Kerntransportfaktoren befindet sich die kleine GTPase Ran.
Aus Tabelle 1 geht hervor, das diese 6 Stellen aufweist an denen eine Acetylierung stattfindet. Die Abbildung 9 zeigt ein Cartoon-Modell von GDP gebundenem Ran zusammen mit einer Balkendarstellung der GTPase in voller Länge. Die Acetylierungsstellen sind farblich und durch Balldarstellung der Lysine in der Abbildung 9 hervorgehoben. In beiden Darstellungsformen ist zu erkennen, das drei der Acetylierungsstellen innerhalb der variablen Regionen des Moleküls liegen und die
restlichen drei Stellen zwischen diesen Regionen. Dabei ist zu erkennen, das diese drei (K60, 99 und 159) jeweils in einem Sekundär Strukturelement (K60 in einem β-Faltblatt und K99 und 159 in einer α-Helix) zu finden sind.
Abb. 9: Kristallstruktur von h.s RanGDP und Balkendarstellung der GTPase in voller Länge mit acetylierbaren Lysinen . Die Kristallstruktur (PDB ID 3GJ0) ist als Cartoon-Modell dargestellt. Die Kristallstruktur, sowie die Balkendarstellung sind grün eingefärbt und die Regionen farblich markiert, mit der Switch 1 Region rot, der Switch 2 Region pink und der C-terminalen Erweiterung in braun. Der basische Bereich ist in der Kristallstruktur blau gefärbt, das Magnesium als Sphere in Magenta gezeigt. Die Sekundärstrukturelemente sind nummeriert und mit α für eine α-Helix und β für ein β-Faltblatt bezeichnet.
Die Lysine die in Choudhary et al. acetyliert werden sind als Bälle dargestellt mit dem Kohlenstoffatom in gelb und dem Stickstoffatom in blau. Das GDP ist als Stabmodell gezeigt, dabei sind die Kohlenstoffatome grau, Stickstoffatome blau, Sauerstoffatome rot und Phosphatatome orange gefärbt (Pymol).
1.5.1 Posttranslationale Acetylierung der Aminosäure Lysin
Die Regulation von zellulären Prozessen, wie dem Kerntransport oder der Mitose, geschieht durch regulatorische Proteine. Die kleine GTPase Ran, mit ihrer GTP gebundenem aktiven und GDP gebundenen inaktiven Form, kann als ein regulatorisches Protein bezeichnet werden. Ein Weg zur Regulation von Proteinen besteht in deren Modifikation durch andere Proteine (z.B. Sumo-Protein oder Ubiquitin), Zucker (Glykosylierung), Methyl-Gruppen oder auch Acetyl-Gruppen.
Die Modifikation von Proteinen durch Acetylierung an Lysinseitenketten ist eine lange bekannte dynamische, reversible und hoch regulierte chemische Modifikation und zu finden in allen Bereichen des Lebendigen (Choudhary et al., 2009; Cohen and Yao, 2004).
Die Acetylierung einer Lysinseitenkette wird durch eine Lysine-Acetyltransferase (KAT) katalysiert. Dabei verwenden diese Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) zum Übertragen der Acetylgruppe des Acetyl-CoA auf die ε-Aminogruppe der Lysinseitenkette (Abb. 10). Die Umkehrreaktion, die Deacetylierung einer acetylierten Lysinseitenkette wird durch Deacetylasen (HDAC) katalysiert. Für die Reaktion der Deacetylierung verwenden Deacetylasen H2O und hydrolysieren die Bindung der Acetylgruppe an der Aminogruppe der Lysinseitenkette. Bei dieser Reaktion entsteht Acetat als Reaktionsprodukt (Abb. 10).
Eine Klasse der Deacetylasen, die Sirtuine verwenden NAD+ als Cofaktor für die Reaktion und übertragen das frei werdende Acetat auf ADP-Ribose (Sadoul et al., 2011).
Abb. 10: Schematische Darstellung des Mechanismus zur Übertragung einer Acetylgruppe auf eine Lysinseitenkette. Cartoon Darstellung der Acetylierung und Deacetylierung von Lysinresten. Eine KAT überträgt die Acetyl-Gruppe (gelb) vom Acetyl-CoA auf das Lysin, Deacetylasen hingen entfernen den Acetylrest vom Lysin. Die Klasse der Sirtuine (HDAC) verwendet NAD+ für die Hydrolyse der Bindung zwischen der Acetylgruppe und der Aminogruppe, der Rest der Deacetylasen verwendet H2O. Bei dieser Reaktion entsteht Acetat als Reaktionsprodukt. Sirtuine Übertragen dieses Acetat bei der Deacetylierung auf ADP-Ribose. Die Darstellung entstammt Kim et al., 2010. KAT PDB ID 2P0W, HDAC PDB ID 3GLR, beide sind als Cartoon-Modell dargestellt und in Regenbogen eingefärbt.
Die Acetylierung einer Lysinseitenkette kann mehrere Auswirkungen auf das zu acetylierende Lysin ausüben. Diese kann zu einer Neutralisierung der basischen Ladung des Lysins führen und die Aminosäure vergrößern, was zu einer Änderung der Proteinstruktur und/oder Protein-Protein Interaktion führen kann (Kamieniarz and Schneider, 2009). Die Modifizierung über eine Acetylgruppe kann einen Einfluss auf die Enzymaktivität eines Proteins haben, da die Acetylierung eines Lysins eine leicht andere
Präferenz für Sekundärstrukturen zeigt als nicht aceyliertes Lysin. Desweitern kann die Acetylierung als Signatur für die Rekrutierung von Proteinen (welche spezifisch das acetylierte Protein erkennen) dienen, sowie neue Bindungsstellen für Protein-Protein Interaktionen ermöglichen (Kamieniarz and Schneider, 2009; Spange et al., 2009).
Eine Acetylierung beeinflusst viele Funktionen von Proteinen, wie deren enzymatische Aktivität, Proteinstabilität, DNA-Bindung, Protein-Protein Interaktion, sowie die Lokalisation von Proteinen. Acetylierte Proteine sind somit Bestandteil vieler zellulärer Prozesse. So beeinflusst die Acetylierung von Lysinresten in Proteinen Prozesse des Zellzyklus, die Regulation der Signal Transduktion, der Regulation und Neugestaltung des Zytoskelettes, sowie der Transkription und Translation. Acetylierte Proteine spielen außerdem eine Rolle bei der Qualitätskontrolle und Reinigung der Zelle von fehlgefalteten, aggregierten oder nicht mehr verwendeten Proteinen. Weiter ist diese Modifikation in der Autophagy und Apoptose zu finden, sowie in Transportprozessen der Zelle (Kamieniarz and Schneider, 2009; Sadoul et al., 2011; Spange et al., 2009). Solche Transportprozesse sind aufgeteilt in zytoplasmatischen Transport über das ER und das Golgi Netzwerk und dem Transport von Makromolekülen über die Kernhülle dem Kerntransport. Die Acetylierung von Lysinresten in Proteinen dient als wichtiges regulatorisches Signal dieser zellulären Prozesse. Obwohl die Rolle der Acetylierung in Histonmodifikationen, besonders Chromatin Remodeling, schon länger bekannt ist, ist über die Acetylierung von Nicht-Histone-Proteinen bislang wenige bekannt.