Regulation of H3K4 methylation patterns and gene expression dynamics by NatA complex

Abstract

N-terminal acetylation is a common protein modification that alters the function, localization, and/or stability of proteins. The N-terminal acetyltransferase A (NatA) complex, which contains the catalytic Ard1 and the auxiliary subunits Nat1 and Nat5, co- translationally acetylates the N-termini of many proteins, including chromatin modifiers and transcription factors. However, the roles of N-terminal acetylation in the regulation of chromatin modifications and transcription remain elusive. Therefore, this research aims to investigate the function of NatA in chromatin modifications and gene expression. H3K4 methylation is a highly conserved histone modification involved in multiple cellular processes, including transcription by RNA polymerase II. In general, H3K4 trimethylation (H3K4me3) is enriched at promoter regions while the level of H3K4 dimethylation (H3K4me2) and H3K4 monomethylation (H3K4me1) peak in 5’ and 3’ transcribed regions, respectively. Interestingly, the absence of Ard1 and Nat1 strongly reduces H3K4me3 levels at promoter regions while inducing a shift the peak of H3K4me2 moves from 5’ transcribed regions to promoter regions. Analysis of published dataset reveals NatA-mediated N-termini acetylation of multiple subunits within Set1-COMPASS, and substitution mutants of the acetylation site in Set1-COMPASS components show non- canonical patterns of H3K4 methylation similar to those of mutants for NatA. Furthermore, the Sdc1 subunit of the complex has a potential target site for the N-terminal acetyltransferase B (NatB), and the loss of NatB also induces a change in H3K4 methylation pattern. Hence, the N-terminal acetylation of Set1-COMPASS by NatA and NatB may function as a novel modulator of H3K4 methylation patterns. Additionally, the loss of NatA resulted in modified gene induction kinetics during carbon source shifts. The phenomenon was not necessarily considered an outcome of altered H3K4 methylation patterns as Set1-COMPASS mutants exhibit no obvious effect on gene induction. NatA mutants manifested abnormal patterns of histone acetylation, while several subunits of the SAGA complex which are targeted by NatA revealed the N-termini acetylation. In addition, SAGA complex mutants exhibited similar patterns of gene expression suggesting that NatA-mediated N-terminal acetylation of SAGA modulates histone acetylation and gene expression. Taken together, N-terminal acetylation of chromatin modifying enzymes including Set1- COMPASS and SAGA is necessary for maintaining optimal patterns of chromatin modifications and gene expression.;N-말단 아세틸화는 단백질의 기능, 위치 또는 안정성을 변경하는 일반적인 단백질 변형이다. 여러 N-말단 아세틸기 전달효소 중 촉매체인 Ard1 과 보조 소단위체인 Nat1 및 Nat5 를 포함하는 N-말단 아세틸기 전달효소 A (NatA) 복합체는 염색질 변형효소 및 전사 인자를 포함한 많은 단백질의 N-말단을 상호 번역적으로 아세틸화한다. 그러나 염색질 변형과 전사의 조절에서 N-말단 아세틸기 전달효소 A 의 역할은 여전히 불분명하다. 따라서, 이 연구는 염색질 변형과 유전자 발현에 관여하는 NatA 의 기능을 조사하고자 한다. 히스톤 H3의 네 번째 라이신 (H3K4)의 메틸화는 RNA 중합효소 II에 의한 전사를 포함한 여러 세포 과정에 관여하는 고도로 보존된 히스톤 변형이다. 일반적으로 H3K4 트라이메틸화 (H3K4me3)는 유전자의 프로모터에서 존재하며 H3K4 디메틸화(H3K4me2)는 복원 원점과 유전자의 5’ 부위에서 유전자 내부 (gene body)에 존재하며, 유전자의 3’ 부위와 인핸서 (enhancer)에는 H3K4 모노메틸화 (H3K4me1)가 존재한다. Ard1 과 Nat1 의 손실은 유전자의 프로모터에서 H3K4me3 를 크게 시키며, 또한 H3K4me2 의 고점은 유전자 내부에서 프로모터로 이동한다. Set1-COMPASS 는 유일하게 H3K4 의 메틸화를 시키는 메틸화 전이효소 복합체이다. 복합체 내 여러 소단위체들의 N-말단은 NatA 에 의해 아세틸화되며, Set1-COMPASS 의 소단위체의 아세틸화 부위의 치환 돌연변이는 NatA 의 돌연변이체와 유사한 H3K4 메틸화의 변화를 보여준다. 또한 복합체의 Sdc1 소단위체는 N-말단 아세틸기 전달효소 B(NatB)에 의해 N-말단 아세틸화가 되며, NatB 의 손실은 또한 H3K4 메틸화의 패턴을 변화시킨다. 이러한 연구 결과는 NatA 및 NatB 에 의한 Set1-COMPASS 내 소단위체의 N-말단 아세틸화가 H3K4 메틸화의 새로운 조절자로 기능할 수 있음을 시사한다. H3K4 메틸화를 비롯하여, NatA 는 탄소원을 변화시키는 환경에서 유전자 발현을 변화시킨다. 흥미롭게도, Set1-COMPASS 의 돌연변이는 유전자 발현에 뚜렷한 영향을 미치지 않기 때문에 H3K4 메틸화의 변화로 인한 것이 아니다. NatA 의 돌연변이는 전사와 밀접한 관련이 있는 히스톤 아세틸화의 변화를 유도한다. 유전자의 전사와 NatA 에 의한 N-말단 아세틸화 표적 단백질을 분석하면 히스톤 아세틸기 전달효소인 SAGA 복합체의 여러 소단위체가 N-말단 아세틸화 된다는 것을 알 수 있다. 또한 NatA 는 유전적으로 SAGA 복합체와 상호 작용하며, 이러한 복합체에 대한 돌연변이는 유사한 유전자 발현 패턴을 보여 SAGA 의 N-말단 아세틸화가 히스톤 아세틸화와 유전자 발현을 조절한다는 것을 시사한다. 즉, Set1-COMPASS 와 SAGA 를 포함한 염색질 변형 효소 복합체내 소단위체의 NatA 에 의한 N-말단 아세틸화는 염색질 변형 및 유전자 발현의 최적의 패턴을 유지하기 위해 필요하다.