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组蛋白修饰指南

组蛋白修饰是一类调控基因表达的翻译后修饰,其中组蛋白 H3 是修饰最多的组蛋白。​​

组蛋白的翻译后修饰 — 又称为标记 — 可将基因组调节成易于 DNA 转录的常染色体活性区域或者 DNA 更紧密,不易于转录的失活异染色质区域,借此调控基因表达。

组蛋白将 DNA 组装并排列成称为核小体的结构,使其适于存储在细胞核中。每个核小体含有两个亚基,两个亚基均由组蛋白 H2A、H2B、H3 和 H4(称之为核心组蛋白)构成,而连接组蛋白 H1 则作为稳定剂。

组蛋白 H3 是修饰最多的组蛋白。组蛋白 H3 的修饰能预测染色质的类型(异染色质或常染色质)、区分基因组功能元件(启动子、增强子、基因主体)以及检测决定这些元件处于活性状态或是抑制状态。

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图 1.最常见的组蛋白修饰。查看组蛋白修饰海报了解更多信息。

研究组蛋白 H3 的修饰时,最有用的对照是总组蛋白 H3。

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​​组蛋白甲基化​​

根据甲基化位点,H3 和 H4 的赖氨酸甲基化可调节转录激活和抑制,而精氨酸甲基化则促进转录激活。1

赖氨酸可被单甲基化、二甲基化或三甲基化,使得每个甲基化位点都能实现功能上的多样性。例如,K4 的单或三甲基化(H3K4me1H3K4me3)均为激活标记,但 H3K4me1 存在于转录增强子中,而 H3K4me3 存在于基因启动子中。K36 的三甲基化 (H3K36me3) 与基因主体的转录区域相关。

组蛋白 H3 上的 K9 和 K27 的三甲基化(H3K27me3 H3K9me3)都是抑制信号,但是 H3K27me3 是控制发育调控因子的临时信号。相反,H3K9me3 则是具有串联重复结构的染色体区域形成永久异染色质的信号。

H3K27me3 主要存在于基因密集区域的启动子中,并与胚胎干细胞中的发育调控因子,包括 Hox 和 Sox 基因密切相关。H3K9me3

则通常存在于缺少基因的区域例如卫星重复、端粒和近着丝粒区。另外它也标记反转录转座子和锌指基因中的某些特定家族 (KRAB-ZFP)。

两种标记都存在于失活的 X 染色体中,其中 H3K27me3 位于基因间区域和沉默的编码区,而 H3K9me3 主要出现在活性基因的编码区中。

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组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化通常与开放染色质结构相关。因此染色质可与转录因子接触,并且能够显著提高基因表达的水平。2

组蛋白乙酰化主要出现在启动子区域。例如,组蛋白 H3 的 K9 和 K27 乙酰化(H3K9acH3K27ac)通常与活性基因的增强子和启动子有关。在转录基因各处也存在低水平乙酰化,但其功能尚不明朗。

组蛋白乙酰转移酶 (HAT) 和去乙酰化酶 (HDAC) 是在组蛋白尾部进行乙酰化修饰和去修饰的酶。组蛋白 H3 和 H4 中的赖氨酸残基是 HAT 复合物的优选靶点。

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组蛋白磷酸化

核心组蛋白的磷酸化是细胞分裂中染色体凝缩、转录调控和 DNA 损伤修复的关键中间步骤。3–6与乙酰化和甲基化不同,组蛋白磷酸化似乎需要通过与其他组蛋白修饰的相互作用并作为效应子蛋白的平台,才可发挥其功能。这样会引发下游级联事件。

组蛋白 H3 的 S10 磷酸化(S10 磷酸化 H3)和组蛋白 2A 的 T120 的磷酸化是有丝分裂的标志:这些修饰参与有丝分裂期间染色质的收缩以及染色质结构和功能的调控。H2AX 的 S139 磷酸化(形成 γH2AX)被认定为 DNA 双链断裂后最早发生的的事件之一,并作为 DNA 损伤修复蛋白的聚集点。7,8

组蛋白磷酸化也具有更广泛的功能:例如 H2B 磷酸化可促进细胞凋亡相关的染色质凝缩、DNA 片段化和细胞死亡。9

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组蛋白泛素化

组蛋白 H2A 和 H2B 是细胞核中泛素化程度最高的两种蛋白。10其中最常见的形式是 H2A 的 K119 单泛素化以及 H2B 的 K123(酵母)/K120(脊椎动物)单泛素化。但是,目前也发现了多泛素化的组蛋白,例如 H2A 和 H2AX 的 K63 多泛素化。

​​​​H2A 的单泛素化由多梳类蛋白催化,且大部分与基因沉默有关。 酵母中Bre1是负责H2B单泛素化的主要的酶;哺乳动物中是其同源物RNF20/RNF40。与 H2A 不同,单泛素化的 H2B 与转录激活有关。与其他组蛋白修饰类似,H2AH2B 的单泛素化是可逆的,并由组蛋白泛素连接酶和去泛素化的酶严密调控。

组蛋白泛素化在 DNA 损伤响应中具有核心意义:RNF8/RNF168 催化组蛋白 H2A/H2AX 的 K63 多泛素化,并为 RAP80 和其他 DNA 修复蛋白提供识别位点。组蛋白 H2A、H2B 和 H2AX 的单泛素化也发生在 DNA 双链的断裂位点。

修饰标记​

过去许多年中,表观遗传学修饰被认为是不可逆的;修饰标记在经历多次细胞分裂后依然能保持稳定。但是,研究发现这一过程是高度动态的,并且由一组特定的酶调控。这些表观遗传学调控因子可分为修饰蛋白、识别蛋白和去修饰蛋白。

·         表观遗传学修饰蛋白
诸如组蛋白乙酰转移酶 (HAT)、组蛋白甲基转移酶 (HMT/KMT)、蛋白精氨酸甲基转移酶 (PRMT) 以及激酶等酶负责向组蛋白添加表观遗传学标记。

·         表观遗传学识别蛋白
这类蛋白识别并结合由修饰蛋白建立的表观遗传学标记,从而确定其功能。其中包括含有布罗莫结构域、染色质域和 Tudor 域的蛋白。

·         表观遗传学去修饰蛋白
去修饰蛋白,例如组蛋白去乙酰化酶 (HDAC)、赖氨酸去甲基化酶 (KDM) 和磷酸酶,催化表观遗传学标记的去除。


参考文献

1.        Greer, E. L. & Shi, Y. Histone methylation:a dynamic mark in health, disease and inheritance. Nat. Rev. Genet. 13, 343–57 (2012).

2.        Roth, S. Y., Denu, J. M. & Allis, C. D. Histone acetyltransferases. Annu. Rev. Biochem. 70, 81–120 (2001).

3.        Nowak, S. J. & Corces, V. G. Phosphorylation of histone H3:A balancing act between chromosome condensation and transcriptional activation.Trends Genet. 20, 214–220 (2004).

4.        Rossetto, D., Avvakumov, N. & Côté, J. Histone phosphorylation:A chromatin modification involved in diverse nuclear events.Epigenetics7, 1098–1108 (2012).

5.        Banerjee, T. & Chakravarti, D. A Peek into the Complex Realm of Histone Phosphorylation. Mol. Cell. Biol. 31, 4858–4873 (2011).

6.        Kschonsak, M. & Haering, C. H. Shaping mitotic chromosomes:From classical concepts to molecular mechanisms.BioEssays 755–766 (2015).

7.        Lowndes, N. F. & Toh, G. W.-L. DNA repair:the importance of phosphorylating histone H2AX.Curr.Biol. 15, R99–R102 (2005).

8.        Pinto, D. M. S. & Flaus, A. Structure and function of histone H2AX.Subcell.Biochem. 50, 55–78 (2010).

9.        Füllgrabe, J., Hajji, N. & Joseph, B. Cracking the death code:apoptosis-related histone modifications.Cell Death Differ. 17, 1238–1243 (2010).

10.      Cao, J. & Yan, Q. Histone ubiquitination and deubiquitination in transcription, DNA damage response, and cancer. Front. Oncol. 2, 26 (2012).


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