组蛋白修饰及其功能(乙酰化,甲基化,磷酸化等)-于凯

组蛋白修饰及其功能表观遗传学（epig切tics）是研究不改变DNA序列而由于其外 部修饰引起的基因开放与否的学科，涉及的主要机制有DNA甲基 化、组蛋白修饰、基因印记、RNA干扰等。其中研究得最多是 DNA甲基化和组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化，这些修饰与活化或 失活染色质的结构形成相关。染色质是由许多核小体组成的，大部分真核生物中有5种富含 碱性氨基酸的组蛋白，即Hl, H2A, H2B, H3和H4。H2A, H2B, H3和H4各2个分子构成的8聚体是核小体的核心部分，H1的作用是 与线形DNA结合以帮助后者形成高级结构。组蛋白翻译完成后，其氨基尾巴会发生多种共价修饰，如乙 酰化、甲基化、磷酸化，泛素化和ADP核糖基化等，这些修饰都 是可逆性修饰，这些修饰共同构成了 “组蛋白密码” oAcetylMethyl rPhosphoryl rUbiquitinFi - H H OHPO抑霸因了 IS导的去乙醸化,组蛋白末端去乙旣化.丛活脚梧抒的过乙脱化,址後口未坐过乙配化酵母组蛋白乙酰化与去乙酰化的调节结合，导致蛋白质的选择性降解。1. 组蛋白乙酰化核心组蛋白乙酰化反应多发生在核心组蛋白N端碱性氨基酸集中区的特定Lys残基。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase, HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)协调进行。HAT通过将乙酰辅酶 A 的乙酰 基转移到Lys的NH+，中和掉一个正电荷。HDAC使组蛋白去乙转录受到抑制。分子效应：乙酰化可能通过对组蛋白电荷以及相互作用蛋白的影响，增加组蛋白与DNA的排斥力，来调节基因转录。组 蛋白的乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离，核小体结构 松弛，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点 特异性结合，激活基因的转录。同时影响泛素与组蛋白的H2A的通常，异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，常染色质结构域组蛋白呈高乙酰化。组蛋白乙酰化调节转录的机制组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活性变化的至少包括以下几个方面: 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的从而促使参与转录调控的各种DNA链的亲和性，导致局部DNA与组蛋白八聚体解开缠绕蛋白因子与DNA特异序列结合，进而发挥转录调控作用； 组蛋白的N末端尾巴可与参与维持染色质高级结构的多种蛋白质相互作用，更加稳定了核 小体的结构。而组蛋白乙酰化却减弱了上述作用，阻碍了核小体装配成规则的高级结构（如 螺线管）； 组蛋白乙酰基转移酶（HAT）对相关转录因子或活化因子进行乙酰化修饰以调节基因的表达。如CBP/P300对P53的乙酰化可增强其特异性DNA结合能力、转录激活能力，并延长其 半衰期o局部乙酰化举例当DNA与核小体尚未解开缠绕时，转录激活因子如糖皮质激素受体可以和DNA上相应 的反应元件（GRE）结合。当结合至GRE之后，糖皮质激素募集共激活因子如CBP到染色 体上的靶转录基因区。此时，共激活因子利用HAT活性使得结合在DNA启动子区域的核心 组蛋白乙酰化，进而使DNA与组蛋白结合减弱，核小体释放，转录因子和RNA聚合酶可以 与DNA上特异的启动子结合，启动靶基因的转录。CBPI罠嗷汕因T）（C）（D）ReguiasorySgnaing PathwaysAcetylationStability DNA RepairT6PTATAk Transcrioilon p p | Piurcoi&tt-oy Devefcpnreni Difle：entiat;cin Of Neural Siam CellsG呼GCN5StabilityNuci&ar TransccriTFIIHDNA DamageHitONBS1DASgnaiir PathwaysACl-3? HD.aC4-7,R5亠 TFIIDATM P53TAIB RNAP。汕Known Aee-iated ProieinsOks hi；Sass IV:SIRTt.7Othwr Slrtuln SubstratesAcy? CaAMEF2SynLh!M6埠卜亡小p!30E2F1PCAFBkOSPGC-taFoxOPPAAvGCkSi.2Ab, 07KuTOSjvS&WILXRtUDUiHAcetylasesATF-2capMOZ8Yp9WCLOCKPCAFEWIpCIPSRC-1SRC-3GAIPhTAFZSOMAT1TFIIBH5O!rp60F.CVAPAe/J-CASyrflTi：39eAARATMBrmE2F：.-2, -3EKLFFoxO4 3 4MSHIF-：aSAPSrr52 Srrja7SRC-3 SABP SteS TAFir8 TCF TP isB TFIIE&HisigresPCMATPIlFMVG AlFGC-1uTR.fi XRHSrSOPrlu-tuouhnlrnQorVn*ti户TENWAN2. 组蛋白的甲基化组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(histone methyl transferase, HMT)完成的。甲基化可发生在组 蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够 发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲 基化，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修 饰和调节基因表达的复杂性。Silent研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态 的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精 氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲 基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。组蛋白甲基化的调节机制1H3-K9甲基化与异染色质的形成：人们曾针对异染色质的形成提出过一个模型:首先组蛋白 脱乙酰酶使H3中的K9、K14脱乙酰化，然后Suv39hl或04对H32K9进行甲基化,H32K9的甲基 化再影响DNA的甲基化,随后甲基化的H32K9做为一个结合位点招募HP1或Swi6蛋白的定位, 最后HPl/Swi6通过它们的shadow染色质结合区域定位在C末端，进而形成异染色质的多聚体。2. H32K9甲基化对常染色体中基因表达调控的影响：3. 组蛋白其他位点上发生甲基化与基因表达的关系：大量实验表明H32K9甲基化的功能与基因沉默有关，但其它位点甲基化可能存在激活转录作用。组蛋白甲基化与DNA甲基化：H32K9的甲基化可以直接或间接影响DNA的甲基化，DNA 甲基化可能是组蛋白甲基化的间接结果3. 组蛋白的磷酸化纽蛋口磷酸化属于衣观遗传范畴系指对组责口 N端氨基酸残基的磷酸化修饰=物理学研处显示. 磷酸化能破坏组萤口 4 DNA间的相互作用，而使竦 色质结构不稳定这样种不稳定性对有丝分裂I忖 染色质凝集成为同源染色休过程中的结构重组是龙 要的。总的来说，组蛋口磷酸化修饰和其他表观進 传修饰样也可能足通过两种机制影响染色休的绊 构和功能：0)磷酸基团携带的负电荷中和了组蛋口上 的止Llfi-r,造成组蛋口与DNA之间亲和力的下降；(g 修饰能够产生与蛋白质识别模块(protein recognitioi modu le s)结合的农出1,与特异的帳口质复合物相互作 用组蛋口璘酸化与染色休的浓缩/分离、转录朋 激沾、细胞凋亡以及DNA损伤的修复均有关红 聚口分为核小休核心组蛋口 (H2A. H2B. H3. H4) 和核小休连接黃口 (H1)五种.对不|nl组蛋的磷酸让 的作用也不尽相同=本文别对其作用及机制附硏 究进加作综述mJHistone H3Propagation 占-HDAC j 卜 *Hi j&AGXeCKGLGKGCARRHRK.yLnaHiaCIFMBAIRRLAII |HiatonHJ-K9tri?H3r-K9 diSeMSMAt(Repressed)IU-K27 di-tri?(H3-K9 tri?)H3-K4 di-tri?H3-K9 di?mRNAMK.Tb.HATH3 K4 dimRHA密Transcrpoon TranscnfAonH3-K*9 mono內 HMFa5TriEfv6rlix 址tivAli”Addoond HMTasc $UV3?Ti 朗 354K HPksH3K9di, Sww39h7 l CXTcr HMTUCS HP laPoIjrCOrtib Sileni 油自HATH3-K9 diH3-K27 triX InadrvationT risnscnpicnal rMdrtiwiOwcth$iaton?HSJrwlaDfirTwn:HMK4 triPPra5CTHtyvG5Dcmatr/iaiKn7mRHAONA. repeats &FRNA5?COrertilutivfr hetereehromatin(H3K9di)H3-K9 tri组蛋白修饰的生物学意义组蛋白修饰協基木的作用是调腔基因表达。例 如蛆蛋白甲基化多导敷基因沉默“去甲基化则相反； 乙旣化一般使转录澈活，去乙旣化则相反=|熬，也 可在此基础上产生复杂的生物学效应：例如组蛋白 去乙觐化酚HDAC可影响免疫系统巴H3K4mc3、 H3K9me2能够调控记忆的形戍叫 而且H3K甲基化 与X染色体失活s基因蛆印记和卄染色质形成有关 表1); H3乙虱化逋过多种机制调控依赖ATP的染色 质W,并参与炎症反.应；H2A、H2B泛素化则耳 DNA损害反应有关【J 而H3S2&磷酸化WH3K27乙 酰化可激活转录并拮抗聚梳基因川比期仍沉默吧 另 外磷酸化不仅是某些信号转导通路的垂要中问步骤: 而且帯其他类型的修饰互相作用，共同参与细胞 分裂s彫响细胞冏期凹所以组伍白磷酸化渐渐受 到研究者的重视=尤其是组蛋白乙酰化、甲基化修饰能为相关调控蛋白提供其在组蛋白上的附着位点，改变染色质结 构和活性。一般来说，组蛋白乙酰化能选择性的使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某 些基因的转录，增强其表达水平。而组蛋白甲基化既可抑制也可增强基因表达。乙酰化修饰和甲基 化修饰往往是相互排斥的。在细胞有丝分裂和凋亡过程中，磷酸化修饰能调控蛋白质复合体向染色 质集结。应，其中大多数由Aurom有丝分裂过程也与特异性组蛋白修饰有显著的相关性。在有丝分裂过程中，有数个组蛋白磷酸化反B激酶催化。特异性组蛋白修饰可在有丝分裂的不同阶段检测到，在细胞核分裂中发挥多种功能。组蛋白修饰还参与DNA损伤和凋亡。在凋亡的级联反应中，激酶（包括CHK1和CHK2）的主要底 物之一是组蛋白衍生物H2AJC , H2A.X的磷酸化是凋亡早期最早标志之一。在凋亡后期，Caspase激 活蛋白激酶Mstl, Mstl使组蛋白H2B的14位丝氨酸磷酸化。这一修饰在染色质浓缩步骤中可检测到， 是凋亡途径良好的标记物。组蛋白密码学说的完善：1. 更好地开发新药。研究组蛋白密码对药物开发具有战略意义，多种组蛋白修饰酶已成为相关疾病治疗的靶目标。比如，组蛋白去乙酰酶 (HDACs)抑制剂已应用于临床治疗多种肿瘤；2. 深入探讨遗传调控和表观遗传调控相互作用的网络与不同生物学表型之间的关系；3. 在控制真核基因选择性表达的网络体系内进一步深入理解染色质结构、调控序列以及调控蛋白之间交互作用的内在机制；4. 建立基因表达的调控网络数据库及其分析系统。总之，随着越来越多组蛋白核心结构区域和修饰方式的确定，组蛋白密码在基因调控过程中的作用会越来越明确。