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Abstract

Despite a remarkable knowledge about the specific roles of different histone deacetylases (HDACs) in different physiological and pathological processes, it is an unresolved question to what extent the “hidden” enzymatic activity of class IIa HDACs contributes to physiological remodeling or disease phenotypes. Compared to class I and class IIb HDACs, class IIa HDACs seem to possess a relatively low deacetylase activity towards acetylated lysines. However, they possess a very specific class IIa HDAC activity towards a trifluoroacetylated substrate in vitro. This activity is unique to the class IIa HDACs. An according substrate in vivo has yet to be discovered. This work was supposed to give insights into the functional role of the catalytic activity of Histone Deacetylase 4 (HDAC4). It addresses the question whether HDAC4 indeed is an enzyme in an in vivo context or whether it only serves as a scaffold or reader protein. Therefore, I generated an HDAC4H968Y mouse line with a single histidine to tyrosine substitution in the catalytic domain of HDAC4. In in vitro experiments with recombinant human HDAC4, this substitution led to a gain of class I and class IIb HDAC activity but at the same time to a clear loss of the specific class IIa HDAC activity. In cell-based assays this substitution did not affect global histone acetylation, class I HDAC binding, or cellular localization of HDAC4. In the mouse model this substitution led to an overall loss of specific class IIa HDAC activity while changes in global class I and class IIb HDAC activity were not recorded. I did not observe major transcriptional changes, no changes in global histone acetylation, or an altered susceptibility to β-adrenergic stress in the heart. However, I identified not yet described potential direct HDAC4 deacetylation targets by an acetyl proteomics approach and found metabolic alterations in terms of insulin and glucose tolerance in the HDAC4H968Y mice. Based on my findings I assume a critical role of HDAC4’s catalytic activity for maintenance of insulin secretion in pancreatic β-cells. However, further studies will be necessary to understand the mechanistic basis of my observations.

Translation of abstract (German)

Histon Deacetylasen (HDACs) sind an diversen physiologischen und pathologischen Prozessen beteiligt. Bis heute ist jedoch ungeklärt, welchen Anteil die enzymatische Aktivität der Klasse IIa HDACs an physiologischem und pathologischem Remodeling trägt. Verglichen mit Klasse I und Klasse IIb HDACs besitzen die Klasse IIa HDACs nämlich eine relativ geringe Deacetylaseaktivität gegenüber acetylierten Lysinen. In vitro besitzen sie allerdings eine spezifische Klasse IIa Aktivität gegenüber einem trifluoroacetylierten Substrat. Ein entsprechendes Substrat in vivo wurde bis heute nicht identifiziert. Diese Arbeit sollte Aufschlüsse über die Funktion der katalytischen Aktivität von Histon Deacetylase 4 (HDAC4), vor allem im Herzen, geben und der Frage nachgehen, ob HDAC4 in einem in vivo Kontext tatsächlich ein Enzym ist oder, ob es lediglich als Scaffold- oder Readerprotein fungiert. Daher wurde eine neue Mauslinie generiert, in der ein einziges Histidin in der katalytischen Domäne von HDAC4 durch ein Tyrosin ausgetauscht ist (HDAC4H968Y). Diese Mutation führte in in vitro Experimenten mit rekombinantem humanen HDAC4 zu einer Erhöhung der Klasse I und Klasse IIb HDAC Aktivität, und gleichzeitig zu einem deutlichen Verlust der Klasse IIa HDAC Aktivität. Sie wirkte sich in zellbasierten Experimenten jedoch nicht auf die globale Histonacetylierung, die Bindung an Klasse I HDACs oder die zelluläre Lokalisation von HDAC4 aus. Im Mausmodell führte die Mutation ebenfalls zu einem Verlust der Klasse IIa HDAC Aktivität, eine Veränderung der Klasse I und IIb HDAC Aktivität wurde hier jedoch nicht festgestellt. In dieser Mauslinie wurden des Weiteren keine transkriptionellen Unterschiede, keine globalen Unterschiede in der Histonacetylierung und keine veränderte Reaktion auf β-adrenergen Stress im Herzen festgestellt. Mittels eines Acetylproteomikscreens habe ich allerdings Proteine identifiziert, die potenziell direkt von HDAC4 deacetyliert werden. Darüber hinaus habe ich metabolische Veränderungen hinsichtlich Glucose- und Insulintoleranz in den HDAC4H968Y Mäusen beobachten können. Auf diesen Beobachtungen basierend stelle ich die Hypothese auf, dass die katalytische Aktivität von HDAC4 eine entscheidende Rolle bei der Insulinsekretion in pankreatischen β-Zellen spielt. Weitere Untersuchungen sind jedoch essentiell, um die mechanistischen Grundlagen dieser Beobachtungen zu verstehen.