Publicação
Development of a novel chemical biology strategy for the site-specific acetylation of histones
| dc.contributor.advisor | Cal, Pedro Miguel Saraiva Duarte | |
| dc.contributor.advisor | Bernardes, Gonçalo J.L. | |
| dc.contributor.author | Afonso, Cláudia Filipa Martins | |
| dc.contributor.institution | Faculty of Medicine | |
| dc.date.accessioned | 2026-02-23T14:05:01Z | |
| dc.date.available | 2026-02-23T14:05:01Z | |
| dc.date.issued | 2024-10-03 | |
| dc.description | Tese de doutoramento em Ciências Biomédicas (Biologia Celular e Molecular), Universidade de Lisboa, Faculdade de Medicina, 2024 | |
| dc.description.abstract | As proteínas são macromoléculas quimicamente diversas que estão envolvidas em quase todos os processos biológicos onde desempenham funções essenciais enquanto reguladoras da divisão celular, da diferenciação, do crescimento e do metabolismo, entre várias outras. A maioria destas funções depende da incorporação espacial e temporal de modificações pós-traducionais durante ou após a síntese proteica nos ribossomas. Ao alterarem propriedades físico-químicas, tais como a carga e a solubilidade, estas modificações podem influenciar de forma significativa a estrutura e dinâmica das próprias proteínas. Com mais de 400 atualmente descritas, as modificações de proteínas são características ubíquas e indispensáveis de qualquer sistema biológico, pois permitem expandir a diversidade estrutural e funcional destas macromoléculas. Um exemplo claro da importância biológica que as modificações pós-traducionais exercem em organismos vivos é dado pelas histonas. As histonas representam uma família de proteínas de baixo peso molecular, ricas em aminoácidos básicos e altamente conservadas durante a evolução. Estas proteínas são responsáveis por organizar o ADN negativamente carregado em unidades fundamentais e repetitivas da cromatina, que se designam por nucleossomas. Compostos por um octâmero de histonas e aproximadamente 146 pares de bases de ADN, os nucleossomas representam o primeiro nível de organização da cromatina. As modificações pós-traducionais de histonas constituem um mecanismo epigenético essencial que modula a estrutura e função da cromatina, quer diretamente por influenciarem as interações eletrostáticas que se estabelecem com o ADN no nucleossoma, quer indiretamente por atuarem como marcadores para a associação de outras proteínas. Descoberta pela primeira vez há mais de 50 anos, a acetilação é uma das modificações pós-traducionais mais comuns. Em histonas, esta modificação ocorre maioritariamente na amina da cadeia lateral das lisinas, onde a transferência de um grupo acetilo neutraliza a carga positiva destes resíduos. Como tal, a acetilação de histonas resulta numa diminuição da interação destas proteínas com o ADN, facilitando assim a acessibilidade deste último à maquinaria de replicação, transcrição e reparação. A acetilação de lisinas é um processo dinâmico e reversível, sendo regulado por dois grupos de enzimas que se designam por acetiltransferases e desacetilases. Enquanto as acetiltransferases catalisam a transferência de grupos acetilo para os resíduos de lisina, as desacetilases atuam no sentido oposto. A acetilação da lisina 9 na histona H3 é uma modificação pós-traducional que frequentemente ocorre nas regiões promotoras de genes ativamente transcritos e que pode levar ao recrutamento do fator de transcrição TFIID. Por sua vez, a acetilação da lisina 56 na histona H3 desempenha um papel importante para a estabilidade genómica, pois promove uma montagem eficiente da cromatina após a replicação e reparação do ADN. Apesar da acetilação estar amplamente caracterizada em diversas posições da sequência de aminoácidos das histonas, maioritariamente por técnicas de espectrometria de massa, é fundamental existir uma interpretação mecanística de como esta modificação se combina com outras em locais específicos para regular a estrutura e função da cromatina. Assim, a capacidade de incorporar a acetilação localmente, de uma forma específica, em histonas é essencial para avaliar o papel funcional desta modificação pós-traducional nestas proteínas. No entanto, é difícil obter amostras homogéneas com uma única acetilação, nas quantidades necessárias para estes estudos, a partir de fontes biológicas ou métodos enzimáticos. | pt |
| dc.description.abstract | Proteins are diverse macromolecules involved in almost every biological process, serving crucial functions as regulators of cell division, differentiation, growth and metabolism, among others. Most of these functions depend on the spatiotemporal incorporation of post-translational modifications during or following protein synthesis and assembly in ribosomes. By altering physiochemical properties, such as charge and solubility, these modifications can dramatically influence protein structure and dynamics. With more than 400 reported so far, protein modifications are ubiquitous features of natural systems that expand the structural and functional diversity of these macromolecules, adding an extra layer of complexity to the proteome beyond the information encoded in the genome. A clear example of the biological significance that posttranslational modifications exert in living organisms is afforded by histones. Histones represent a family of small and highly conserved basic proteins that organize the negatively charged DNA into the repeating cored structures, termed nucleosomes, that form chromatin. Consisting of approximately 146 base pairs of DNA tightly wrapped around a histone octamer, nucleosomes represent the first level of chromatin compaction. Post-translational modifications in histones constitute an essential epigenetic mechanism that modulates chromatin structure and function, both directly by influencing the strength of the electrostatic interactions within the nucleosome and indirectly by acting as markers for the binding of chromatin-associated proteins. First discovered more than 50 years ago, acetylation is one of the most common posttranslational modifications. In histones, this modification mostly occurs at the side chain amine of lysine residues, where the transfer of an acetyl group neutralizes their positive charge. As a result, acetylation decreases the interaction of histones with the negatively charged DNA, thereby facilitating its accessibility to replication, transcription and repair machineries. Lysine acetylation is a dynamic and reversible process which is under the regulation of two groups of enzymes known as acetyltransferases and deacetylases. Whereas acetyltransferases catalyze the transfer of acetyl groups to lysine residues, deacetylases act in the opposite direction. Acetylation of lysine 9 in histone H3 is a frequent post-translational modification found in the promoter regions of actively transcribed genes and can recruit transcription factor TFIID, while acetylation of lysine 56 in this protein is critical for genomic stability by promoting efficient chromatin assembly following DNA replication and repair. Although many acetylation marks have been characterized in histones, particularly by mass spectrometry-based approaches, a mechanistic understanding of how this modification combines with others at specific sites to regulate chromatin structure and function is essential. Thus, the ability to incorporate this modification in a site-specific manner is critical to evaluate its functional role. However, access to homogeneous samples of histones bearing a single acetyl group in the quantities required for these studies is difficult to achieve from biological sources or enzymatic methods. In this context, several strategies have been reported to achieve site-specific acetylation of histones, namely chemical or post-expression mutagenesis, genetic code expansion, protein ligation and the use of affinity ligands tethered to acetyl transfer catalysts. Nevertheless, these present many disadvantages, namely the mutation of the amino acids of interest to generate acetyl-lysine mimics, which may lead to sub-optimal interactions with their natural binding partners in the case of chemical or post-expression mutagenesis, the lower yield of modified histones with genetic code expansion, the more challenging nature of protein ligation, and the dependency on the existence of corresponding interacting ligands that can promote acetylation of proximal lysine residues in the protein sequence, when using affinity ligands tethered to acetyl transfer catalysts. | en |
| dc.format | application/pdf | |
| dc.identifier.tid | 101616546 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.5/117250 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.subject | Site-specific acetylation | |
| dc.subject | Histones | |
| dc.subject | Click chemistry | |
| dc.subject | cysteine conjugation | |
| dc.subject | Acetilação específica | |
| dc.subject | Histonas | |
| dc.subject | Química do “clique” | |
| dc.subject | Conjugação de cisteínas | |
| dc.title | Development of a novel chemical biology strategy for the site-specific acetylation of histones | en |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| rcaap.rights | openAccess |
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