組蛋白修飾及其功能 組蛋白翻譯完成后 其氨基尾巴會發生多種共價修飾 如乙酰化 甲基化 磷酸化 泛素化和ADP核糖基化等 這些修飾都是可逆性修飾 這些修飾共同構成了 組蛋白密碼 表觀遺傳學 epigentics 是研究不改變DNA序列而由于其外部修飾引起的基因開放與否的學科 涉及的主要機制有DNA甲基化 組蛋白修飾 基因印記 RNA干擾等 其中研究得最多是DNA甲基化和組蛋白乙酰化 組蛋白甲基化 這些修飾與活化或失活染色質的結構形成相關 染色質是由許多核小體組成的 大部分真核生物中有5種富含堿性氨基酸的組蛋白 即H1 H2A H2B H3和H4 H2A H2B H3和H4各2個分子構成的8聚體是核小體的核心部分 H1的作用是與線形DNA結合以幫助后者形成高級結構 1 組蛋白乙酰化 核心組蛋白乙酰化反應多發生在核心組蛋白N端堿性氨基酸集中區的特定Lys殘基 組蛋白乙酰化由組蛋白乙酰轉移酶 histoneacetyltransferase HAT 和組蛋白去乙酰化酶 histonedeacetylase HDAC 協調進行 HAT通過將乙酰輔酶A的乙酰基轉移到Lys的NH 中和掉一個正電荷 HDAC使組蛋白去乙酰化 與帶負電荷的DNA緊密結合 染色質致密卷曲 基因的轉錄受到抑制 分子效應 乙酰化可能通過對組蛋白電荷以及相互作用蛋白的影響 增加組蛋白與DNA的排斥力 來調節基因轉錄 組蛋白的乙酰化有利于DNA與組蛋白八聚體的解離 核小體結構松弛 從而使各種轉錄因子和協同轉錄因子能與DNA結合位點特異性結合 激活基因的轉錄 同時影響泛素與組蛋白的H2A的結合 導致蛋白質的選擇性降解 通常 異染色質結構域組蛋白呈低乙酰化 常染色質結構域組蛋白呈高乙酰化 酵母組蛋白乙酰化與去乙酰化的調節 組蛋白乙酰化調節轉錄的機制 組蛋白乙酰化引起染色質結構改變及基因轉錄活性變化的至少包括以下幾個方面 組蛋白尾部賴氨酸殘基的乙酰化能夠使組蛋白攜帶正電荷量減少 降低其與帶負電荷的DNA鏈的親和性 導致局部DNA與組蛋白八聚體解開纏繞 從而促使參與轉錄調控的各種蛋白因子與DNA特異序列結合 進而發揮轉錄調控作用 組蛋白的N末端尾巴可與參與維持染色質高級結構的多種蛋白質相互作用 更加穩定了核小體的結構 而組蛋白乙酰化卻減弱了上述作用 阻礙了核小體裝配成規則的高級結構 如螺線管 組蛋白乙酰基轉移酶 HAT 對相關轉錄因子或活化因子進行乙酰化修飾以調節基因的表達 如CBP P300對P53的乙酰化可增強其特異性DNA結合能力 轉錄激活能力 并延長其半衰期 局部乙酰化舉例 當DNA與核小體尚未解開纏繞時 轉錄激活因子如糖皮質激素受體可以和DNA上相應的反應元件 GRE 結合 當結合至GRE之后 糖皮質激素募集共激活因子如CBP到染色體上的靶轉錄基因區 此時 共激活因子利用HAT活性使得結合在DNA啟動子區域的核心組蛋白乙酰化 進而使DNA與組蛋白結合減弱 核小體釋放 轉錄因子和RNA聚合酶可以與DNA上特異的啟動子結合 啟動靶基因的轉錄 2 組蛋白的甲基化 組蛋白甲基化是由組蛋白甲基化轉移酶 histonemethyltransferase HMT 完成的 甲基化可發生在組蛋白的賴氨酸和精氨酸殘基上 而且賴氨酸殘基能夠發生單 雙 三甲基化 而精氨酸殘基能夠單 雙甲基化 這些不同程度的甲基化極大地增加了組蛋白修飾和調節基因表達的復雜性 研究表明 組蛋白精氨酸甲基化是一種相對動態的標記 精氨酸甲基化與基因激活相關 而H3和H4精氨酸的甲基化丟失與基因沉默相關 相反 賴氨酸甲基化似乎是基因表達調控中一種較為穩定的標記 組蛋白甲基化的調節機制 1 H3 K9甲基化與異染色質的形成 人們曾針對異染色質的形成提出過一個模型 首先組蛋白脫乙酰酶使H3中的K9 K14脫乙酰化 然后Suv39h1或Clr4對H32K9進行甲基化 H32K9的甲基化再影響DNA的甲基化 隨后甲基化的H32K9做為一個結合位點招募HP1或Swi6蛋白的定位 最后HP1 Swi6通過它們的shadow染色質結合區域定位在C末端 進而形成異染色質的多聚體 2 H32K9甲基化對常染色體中基因表達調控的影響 3 組蛋白其他位點上發生甲基化與基因表達的關系 大量實驗表明H32K9甲基化的功能與基因沉默有關 但其它位點甲基化可能存在激活轉錄作用 4 組蛋白甲基化與DNA甲基化 H32K9的甲基化可以直接或間接影響DNA的甲基化 DNA甲基化可能是組蛋白甲基化的間接結果 3 組蛋白的磷酸化 組蛋白共價修飾間的關系 組蛋白不同修飾之間的關系乙酰化一般是活性染色質的標志 而甲基化和磷酸化則在活性染色質和非活性染色質中都存在 組蛋白H3K9的甲基化在調節基因表達 染色質組裝和異染色質形成過程發揮重要作用 H3S10的短暫磷酸化足以使H3K9甲基化引起的染色質濃縮變得疏松 這是一個兩種組蛋白同時調節染色質組裝狀態的例子 穩定的甲基化和動態的磷酸化標記 組蛋白的其他修飾方式相對而言 組蛋白的甲基化修飾方式是最穩定的 所以最適合作為穩定的表觀遺傳信息 而乙酰化修飾具有較高的動態 另外還有其他不穩定的修飾方式 如磷酸化 腺苷酸化 泛素化 ADP核糖基化等等 這些修飾更為靈活的影響染色質的結構與功能 通過多種修飾方式的組合發揮其調控功能 組蛋白修飾的生物學意義 尤其是組蛋白乙酰化 甲基化修飾能為相關調控蛋白提供其在組蛋白上的附著位點 改變染色質結構和活性 一般來說 組蛋白乙酰化能選擇性的使某些染色質區域的結構從緊密變得松散 開放某些基因的轉錄 增強其表達水平 而組蛋白甲基化既可抑制也可增強基因表達 乙酰化修飾和甲基化修飾往往是相互排斥的 在細胞有絲分裂和凋亡過程中 磷酸化修飾能調控蛋白質復合體向染色質集結 有絲分裂過程也與特異性組蛋白修飾有顯著的相關性 在有絲分裂過程中 有數個組蛋白磷酸化反應 其中大多數由AuroraB激酶催化 特異性組蛋白修飾可在有絲分裂的不同階段檢測到 在細胞核分裂中發揮多種功能 組蛋白修飾還參與DNA損傷和凋亡 在凋亡的級聯反應中 激酶 包括CHK1和CHK2 的主要底物之一是組蛋白衍生物H2A X H2A X的磷酸化是凋亡早期最早標志之一 在凋亡后期 Caspase激活蛋白激酶Mst1 Mst1使組蛋白H2B的14位絲氨酸磷酸化 這一修飾在染色質濃縮步驟中可檢測到 是凋亡途徑良好的標記物 組蛋白密碼學說的完善 更好地開發新藥 研究組蛋白密碼對藥物開發具有戰略意義 多種組蛋白修飾酶已成為相關疾病治療的靶目標 比如 組蛋白去乙酰酶 HDACs 抑制劑已應用于臨床治療多種腫瘤 2 深入探討遺傳調控和表觀遺傳調控相互作