ヒストンアセチルトランスフェラーゼ
ヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）は、ヒストンタンパク質のリジン残基にアセチル基を付加する働きを持つ酵素群です。この反応はアセチルCoAからアセチル基をリジンのε-N基へ転移させることで行われ、ε-N-アセチルリジンが生成します。真核生物では、ゲノムDNAはヒストンに巻き付いてクロマチン構造を形成しており、このヒストンのアセチル化が遺伝子のオンオフを決定する重要な機構の一つとなります。一般的には、ヒストンのアセチル化は遺伝子発現を促進する方向へ働きます。
HATは細胞内で多岐にわたる生物学的な役割を担いますが、その中心的な機能の一つはクロマチンリモデリングです。クロマチンはDNAとタンパク質の複合体で、核内に存在し、DNAの複製、修復、転写といった様々な細胞イベントに応じてその構造を変化させます。クロマチンは遺伝子発現が活発な非凝縮状態（ユークロマチン）と、転写が不活発な凝縮状態（ヘテロクロマチン）の間を行き来します。ヒストンはクロマチンの主要なタンパク質であり、H1、H2A、H2B、H3、H4の5種類が存在します。H1を除く4種類のコアヒストンはそれぞれ2分子ずつ集まって八量体を形成し、これにDNAが巻き付いてヌクレオソームという基本単位が作られます。ヒストンH1はヌクレオソーム構造を安定化させる役割を持ちます。
ヒストンタンパク質は全体として正の電荷を帯びており、特にN末端のテール部分がコアから突き出ています。DNAのリン酸骨格は負の電荷を帯びているため、ヒストンとDNAの間には強いイオン結合が働きます。HATはヒストンの特定のリジン残基をアセチル化することで、その正電荷を中和し、ヒストンとDNAの間の相互作用を弱めます。これにより、クロマチン構造が緩み、転写因子などのタンパク質がDNA上の調節領域にアクセスしやすくなります。また、アセチル化は隣接するヌクレオソーム間の相互作用を妨げると考えられており、さらに特定のタンパク質が結合するための認識部位（例：ブロモドメインを持つタンパク質がアセチル化リジンに結合）としても機能します。
ヒストンのアセチル化は、メチル化、リン酸化、ユビキチン化など、他の翻訳後修飾と共にクロマチンの構造や機能の多様なレベルでの制御に関わっています。これらの多様な共有結合修飾の組み合わせは「ヒストンコード」と呼ばれ、遺伝情報のように次世代に引き継がれる可能性が示唆されています。
HATの主要な標的はヒストンH3とH4ですが、H2AやH2Bも生体内でアセチル化されます。具体的なアセチル化部位はヒストンによって異なり、H3のリジン9, 14, 18, 23番や、H4のリジン5, 8, 12, 16番などが標的となります。このように多数のアセチル化部位が存在することで、特定の細胞応答に対して高い特異性が実現されます。例えば、ヒストン合成時にH4のリジン5番と12番がアセチル化されるパターンや、ショウジョウバエのオスX染色体遺伝子量補償に関わるH4K16のアセチル化などが知られています。
ヒストン修飾はクロマチンのパッキング状態を調整し、これが遺伝子転写にとって非常に重要です。転写が起こるためには、遺伝子の転写開始領域に転写装置がアクセスできる必要があります。HATによるヒストンのリジン残基のアセチル化は、クロマチン構造を脱凝縮させ、転写装置が転写対象の遺伝子にアクセスすることを可能にします。しかしながら、アセチル化が常に転写活性の増加につながるわけではなく、状況によっては転写抑制と関連する場合もあります。
HATは転写コアクチベーター（共活性化因子）またはコリプレッサー（共抑制因子）として機能し、多くの場合、複数のサブユニットからなる巨大な複合体の一部として存在します。これらの複合体（例：SAGA、NuA4など）は、HATを特定の標的遺伝子へ誘導し、ヌクレオソーム上のヒストンをアセチル化させることで、HATの基質特異性や標的特異性を調節しています。一部のHAT転写コアクチベーターには、アセチル化リジン残基を認識・結合するブロモドメインが含まれており、これが転写調節機能に寄与しています。また、HATはヒストン以外のタンパク質（核内受容体や他の転写因子など）もアセチル化し、間接的に遺伝子発現を促進する働きも持ちます。
HATは、その細胞内局在や構造、機能などに基づいていくつかのファミリーに分類されます。伝統的には、核内に存在しクロマチンのヒストンアセチル化による遺伝子発現調節に関わる「タイプA」と、細胞質に存在し新たに合成されたヒストンのアセチル化を行う「タイプB」に大別されてきました。タイプA HATは通常ブロモドメインを持ちますが、タイプB HATは持ちません。ただし、一つのHATが複数の複合体や部位で機能する場合もあり、この分類が常に明確であるとは限りません。
主なHATファミリーには以下のものがあります。
核内受容体コアクチベーターの中には、SRC-1、ACTR、TIF-2のようにHAT活性を示すものがあり、核内受容体を介した遺伝子発現調節に深く関わっています。
HATの多くは、構造的に保存されたコア領域を持ちます。このコア領域は、GNATファミリーのモチーフA, B, Dに対応し、アセチルCoAの結合や触媒反応に関与します。このコア領域の両側にはN末端側とC末端側の領域があり、これらの領域はファミリーによって構造や配列が異なります。これらの多様な領域は、ヒストン基質の結合に関与し、HATごとの基質特異性の違いに寄与していると考えられています。ヒストン基質は通常、コア領域の溝に結合します。
HATによるアセチル化の基本的な機構は、アセチルCoAのアセチル基がヒストンのリジン側鎖のε-アミノ基へ転移することです。各HATファミリーはこの転移反応に対して異なる触媒戦略をとります。
HATは、ヒストン上の特定のリジン残基を選択的にアセチル化する能力を持ちます。この特異性は、HATの構造、特に基質結合に関わるN末端側やC末端側の領域によって部分的に決定されます。また、HATが多サブユニット複合体を形成することで、その基質特異性や標的特異性が大きく影響を受けます。例えば、多くのHATは単独ではヌクレオソーム中のヒストンを効率的にアセチル化できませんが、特定の複合体の一部となることでこれが可能になります。複合体を構成する他のタンパク質は、HAT複合体を特定のゲノム領域に誘導したり、ヒストンシャペロンを介してヒストン基質を供給したりする役割を担います。Rtt109は、結合するヒストンシャペロン（Vps75またはAsf1）によってアセチル化するリジン部位が変わることが知られています。
HATはヒストン以外にも様々なタンパク質をアセチル化し、その機能やDNA/タンパク質との相互作用を変化させます。特にPCAFやp300/CBPは多くの非ヒストン基質を持ち、転写因子、構造タンパク質、輸送タンパク質などをアセチル化することが報告されています。
HATの触媒活性は、他の調節タンパク質との相互作用（主に複合体形成）や自己アセチル化といった機構によって厳密に制御されています。多タンパク質複合体の形成は、in vivoでのHATの活性や基質特異性を調節する主要なメカニズムですが、その詳細な分子機構には不明な点が多く残されています。
また、多くのHATは自己アセチル化されることが知られており、この修飾がHAT自身の活性を促進したり、逆に阻害したりします。例えば、MYSTファミリーの多くのメンバーやp300/CBP、Rtt109は自己アセチル化が活性に必要ですが、核内受容体コアクチベーターACTRはp300/CBPによるアセチル化で活性が阻害されます。
HATはクロマチン構造を操作し、エピジェネティックな状態を確立するために細胞の生存に不可欠な酵素です。クロマチンリモデリングはDNA損傷修復系にとっても必要であり、HATはこの過程にも関与します。
HATの機能異常は様々な疾患に関与していることが示唆されています。神経変性疾患では、ハンチントン病、ハッチンソン・ギルフォード・プロジェリア症候群、脊髄小脳失調症1型などでHAT活性の低下や関連タンパク質の機能異常が病態に関わることが報告されています。また、HATは学習や記憶機能の制御にも重要であり、PCAFやCBPを欠失したマウスで学習・記憶障害が見られるという研究結果があります。
アセチル化と脱アセチル化のバランスの崩壊は、特定のがんの特徴とも関連しています。がん細胞におけるクロマチンリモデリングの制御は、新たな薬剤開発の標的として注目されています。HATの機能を阻害することで、がん細胞にDNA損傷を蓄積させ、細胞死を誘導する可能性が探られています。インドマンゴスチンの果皮に含まれるガルシノールのようなHAT阻害剤が研究されています。
生物学的役割
クロマチンリモデリング
HATは細胞内で多岐にわたる生物学的な役割を担いますが、その中心的な機能の一つはクロマチンリモデリングです。クロマチンはDNAとタンパク質の複合体で、核内に存在し、DNAの複製、修復、転写といった様々な細胞イベントに応じてその構造を変化させます。クロマチンは遺伝子発現が活発な非凝縮状態（ユークロマチン）と、転写が不活発な凝縮状態（ヘテロクロマチン）の間を行き来します。ヒストンはクロマチンの主要なタンパク質であり、H1、H2A、H2B、H3、H4の5種類が存在します。H1を除く4種類のコアヒストンはそれぞれ2分子ずつ集まって八量体を形成し、これにDNAが巻き付いてヌクレオソームという基本単位が作られます。ヒストンH1はヌクレオソーム構造を安定化させる役割を持ちます。
ヒストンタンパク質は全体として正の電荷を帯びており、特にN末端のテール部分がコアから突き出ています。DNAのリン酸骨格は負の電荷を帯びているため、ヒストンとDNAの間には強いイオン結合が働きます。HATはヒストンの特定のリジン残基をアセチル化することで、その正電荷を中和し、ヒストンとDNAの間の相互作用を弱めます。これにより、クロマチン構造が緩み、転写因子などのタンパク質がDNA上の調節領域にアクセスしやすくなります。また、アセチル化は隣接するヌクレオソーム間の相互作用を妨げると考えられており、さらに特定のタンパク質が結合するための認識部位（例：ブロモドメインを持つタンパク質がアセチル化リジンに結合）としても機能します。
ヒストンのアセチル化は、メチル化、リン酸化、ユビキチン化など、他の翻訳後修飾と共にクロマチンの構造や機能の多様なレベルでの制御に関わっています。これらの多様な共有結合修飾の組み合わせは「ヒストンコード」と呼ばれ、遺伝情報のように次世代に引き継がれる可能性が示唆されています。
HATの主要な標的はヒストンH3とH4ですが、H2AやH2Bも生体内でアセチル化されます。具体的なアセチル化部位はヒストンによって異なり、H3のリジン9, 14, 18, 23番や、H4のリジン5, 8, 12, 16番などが標的となります。このように多数のアセチル化部位が存在することで、特定の細胞応答に対して高い特異性が実現されます。例えば、ヒストン合成時にH4のリジン5番と12番がアセチル化されるパターンや、ショウジョウバエのオスX染色体遺伝子量補償に関わるH4K16のアセチル化などが知られています。
遺伝子発現
ヒストン修飾はクロマチンのパッキング状態を調整し、これが遺伝子転写にとって非常に重要です。転写が起こるためには、遺伝子の転写開始領域に転写装置がアクセスできる必要があります。HATによるヒストンのリジン残基のアセチル化は、クロマチン構造を脱凝縮させ、転写装置が転写対象の遺伝子にアクセスすることを可能にします。しかしながら、アセチル化が常に転写活性の増加につながるわけではなく、状況によっては転写抑制と関連する場合もあります。
HATは転写コアクチベーター（共活性化因子）またはコリプレッサー（共抑制因子）として機能し、多くの場合、複数のサブユニットからなる巨大な複合体の一部として存在します。これらの複合体（例：SAGA、NuA4など）は、HATを特定の標的遺伝子へ誘導し、ヌクレオソーム上のヒストンをアセチル化させることで、HATの基質特異性や標的特異性を調節しています。一部のHAT転写コアクチベーターには、アセチル化リジン残基を認識・結合するブロモドメインが含まれており、これが転写調節機能に寄与しています。また、HATはヒストン以外のタンパク質（核内受容体や他の転写因子など）もアセチル化し、間接的に遺伝子発現を促進する働きも持ちます。
HATのファミリー
HATは、その細胞内局在や構造、機能などに基づいていくつかのファミリーに分類されます。伝統的には、核内に存在しクロマチンのヒストンアセチル化による遺伝子発現調節に関わる「タイプA」と、細胞質に存在し新たに合成されたヒストンのアセチル化を行う「タイプB」に大別されてきました。タイプA HATは通常ブロモドメインを持ちますが、タイプB HATは持ちません。ただし、一つのHATが複数の複合体や部位で機能する場合もあり、この分類が常に明確であるとは限りません。
主なHATファミリーには以下のものがあります。
- - GNATファミリー：GCN5、PCAF、HAT1などが含まれます。保存された触媒ドメイン内に特徴的なモチーフ（A-D）を持ち、多くがブロモドメインを持ちます。主にヒストンH2B、H3、H4をアセチル化します。モチーフAはアセチルCoAの結合に重要です。
- - MYSTファミリー：MOZ、Tip60、Esa1、MOFなどが含まれ、創設メンバーの頭文字から命名されました。ジンクフィンガーやクロモドメインを持つことが特徴で、ヒストンH2A、H3、H4をアセチル化します。
- - その他：p300/CBP、核内受容体コアクチベーター、TAFII250、Rtt109、CLOCKなどが含まれます。特にp300/CBPは他のファミリーとは配列相同性の低いユニークなHATドメインを持ちます。
核内受容体コアクチベーターの中には、SRC-1、ACTR、TIF-2のようにHAT活性を示すものがあり、核内受容体を介した遺伝子発現調節に深く関わっています。
全体構造
HATの多くは、構造的に保存されたコア領域を持ちます。このコア領域は、GNATファミリーのモチーフA, B, Dに対応し、アセチルCoAの結合や触媒反応に関与します。このコア領域の両側にはN末端側とC末端側の領域があり、これらの領域はファミリーによって構造や配列が異なります。これらの多様な領域は、ヒストン基質の結合に関与し、HATごとの基質特異性の違いに寄与していると考えられています。ヒストン基質は通常、コア領域の溝に結合します。
触媒機構
HATによるアセチル化の基本的な機構は、アセチルCoAのアセチル基がヒストンのリジン側鎖のε-アミノ基へ転移することです。各HATファミリーはこの転移反応に対して異なる触媒戦略をとります。
- - GNATファミリー：アセチルCoAとヒストンの両基質がまず酵素に結合する「ordered sequential Bi-Bi機構」を用います。保存されたグルタミン酸残基が一般塩基として働き、リジンからプロトンを引き抜くことで求核攻撃を促進します。
- - MYSTファミリー：保存されたシステイン残基がアセチルCoAを攻撃して共有結合中間体を形成した後、グルタミン酸残基がアセチル基をヒストンへ転移させる「Ping Pong機構」が報告されています。ただし、複合体の一部として機能する際にはBi-Bi機構をとる可能性も示唆されています。
- - p300/CBPファミリー：一般塩基を使わず、Tyr残基が一般酸として働き、Trp残基が基質のリジンを活性部位に配向させると考えられています。「Theorell-Chance機構」 ("hit-and-run") の可能性が示唆されています。
- - Rtt109：ヒストンシャペロンの存在を強く必要とするユニークな機構を持ちます。一般酸・塩基の残基は特定されていません。
基質の結合と特異性
HATは、ヒストン上の特定のリジン残基を選択的にアセチル化する能力を持ちます。この特異性は、HATの構造、特に基質結合に関わるN末端側やC末端側の領域によって部分的に決定されます。また、HATが多サブユニット複合体を形成することで、その基質特異性や標的特異性が大きく影響を受けます。例えば、多くのHATは単独ではヌクレオソーム中のヒストンを効率的にアセチル化できませんが、特定の複合体の一部となることでこれが可能になります。複合体を構成する他のタンパク質は、HAT複合体を特定のゲノム領域に誘導したり、ヒストンシャペロンを介してヒストン基質を供給したりする役割を担います。Rtt109は、結合するヒストンシャペロン（Vps75またはAsf1）によってアセチル化するリジン部位が変わることが知られています。
HATはヒストン以外にも様々なタンパク質をアセチル化し、その機能やDNA/タンパク質との相互作用を変化させます。特にPCAFやp300/CBPは多くの非ヒストン基質を持ち、転写因子、構造タンパク質、輸送タンパク質などをアセチル化することが報告されています。
活性の調節
HATの触媒活性は、他の調節タンパク質との相互作用（主に複合体形成）や自己アセチル化といった機構によって厳密に制御されています。多タンパク質複合体の形成は、in vivoでのHATの活性や基質特異性を調節する主要なメカニズムですが、その詳細な分子機構には不明な点が多く残されています。
また、多くのHATは自己アセチル化されることが知られており、この修飾がHAT自身の活性を促進したり、逆に阻害したりします。例えば、MYSTファミリーの多くのメンバーやp300/CBP、Rtt109は自己アセチル化が活性に必要ですが、核内受容体コアクチベーターACTRはp300/CBPによるアセチル化で活性が阻害されます。
臨床的意義
HATはクロマチン構造を操作し、エピジェネティックな状態を確立するために細胞の生存に不可欠な酵素です。クロマチンリモデリングはDNA損傷修復系にとっても必要であり、HATはこの過程にも関与します。
HATの機能異常は様々な疾患に関与していることが示唆されています。神経変性疾患では、ハンチントン病、ハッチンソン・ギルフォード・プロジェリア症候群、脊髄小脳失調症1型などでHAT活性の低下や関連タンパク質の機能異常が病態に関わることが報告されています。また、HATは学習や記憶機能の制御にも重要であり、PCAFやCBPを欠失したマウスで学習・記憶障害が見られるという研究結果があります。
アセチル化と脱アセチル化のバランスの崩壊は、特定のがんの特徴とも関連しています。がん細胞におけるクロマチンリモデリングの制御は、新たな薬剤開発の標的として注目されています。HATの機能を阻害することで、がん細胞にDNA損傷を蓄積させ、細胞死を誘導する可能性が探られています。インドマンゴスチンの果皮に含まれるガルシノールのようなHAT阻害剤が研究されています。
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