组蛋白修饰及其功能(乙酰化,甲基化,磷酸化等)-于凯

1、组蛋白修饰及其功能组蛋白修饰及其功能 组蛋白翻译完成后，其氨基尾巴会发生多种共价修饰，如乙组蛋白翻译完成后，其氨基尾巴会发生多种共价修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化，泛素化和酰化、甲基化、磷酸化，泛素化和ADPADP核糖基化等，这些修饰都核糖基化等，这些修饰都是可逆性修饰，这些修饰共同构成了是可逆性修饰，这些修饰共同构成了“组蛋白密码组蛋白密码”。 表观遗传学（表观遗传学（epigenticsepigentics）是研究不改变）是研究不改变DNADNA序列而由于其外序列而由于其外部修饰引起的基因开放与否的学科，涉及的主要机制有部修饰引起的基因开放与否的学科，涉及的主要机制有DNADNA甲基甲基化

2、、组蛋白修饰、基因印记、化、组蛋白修饰、基因印记、RNARNA干扰等。其中研究得最多是干扰等。其中研究得最多是DNADNA甲基化和组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化，这些修饰与活化或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。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染色质是由许多核小体组成的，大部分真核生物中有5 5种富含种富含碱性氨基酸的组蛋白，即碱性氨基酸的组蛋白，即H1H1，H2AH2A，H2BH2B，H3H3和和H4H4。H2AH2A，H2BH2B，H3H3和和H4H4各各2 2个分子构成的个分子构成的8 8聚体是核小体的核心

3、部分，聚体是核小体的核心部分，H1H1的作用是的作用是与线形与线形 DNADNA结合以帮助后者形成高级结构。结合以帮助后者形成高级结构。1. 1. 组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化 核心组蛋白核心组蛋白乙酰化反应多发生在核心组蛋白乙酰化反应多发生在核心组蛋白 N N端端碱性氨基碱性氨基酸集中区的特定酸集中区的特定 Lys Lys 残基。残基。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶（histone histone acetyltransferaseacetyltransferase，HATHAT）和组蛋白去乙酰化酶（）和组蛋白去乙酰化酶（histone histone deacet

4、ylasedeacetylase，HDACHDAC）协调进行）协调进行。HATHAT通过通过将乙酰辅酶将乙酰辅酶 A A 的乙酰的乙酰基转移到基转移到 Lys Lys 的的NHNH+ +，中和掉一个正电荷。，中和掉一个正电荷。 HDACHDAC使组蛋白去使组蛋白去乙酰化，与带负电荷的乙酰化，与带负电荷的DNADNA紧密结合，染色质致密卷曲，基因紧密结合，染色质致密卷曲，基因的转录受到抑制。的转录受到抑制。 分子效应：乙酰分子效应：乙酰化可能通过对组蛋白电荷以及相互作用蛋化可能通过对组蛋白电荷以及相互作用蛋白的白的影响，增加组蛋白影响，增加组蛋白与与DNADNA的的排斥力排斥力，来调节基因转录。

5、组，来调节基因转录。组蛋白的乙酰化有利于蛋白的乙酰化有利于DNADNA与组蛋白八聚体的解离，核小体结构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松弛，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNADNA结合位点结合位点特异性结合，激活基因的转录特异性结合，激活基因的转录。同时影响泛素与组蛋白的。同时影响泛素与组蛋白的H2AH2A的的结合，导致蛋白质的选择性降解。结合，导致蛋白质的选择性降解。 通常，异染色质通常，异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，常染色质结构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域组蛋白呈高乙酰化。酵母组蛋白乙酰化与去乙酰化的调节组蛋白

6、乙酰化调节转录的机制组蛋白乙酰化调节转录的机制组蛋白组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因乙酰化引起染色质结构改变及基因转录转录活性变化活性变化的至少的至少包括以下几包括以下几个方面：个方面：组蛋白尾部组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白携带正电荷携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的量减少，降低其与带负电荷的DNADNA链的链的亲和性亲和性，导致局部，导致局部 DNADNA与组蛋白八聚体解开缠绕，与组蛋白八聚体解开缠绕，从而从而促使参与转录调控的各种促使参与转录调控的各种蛋白因子与蛋白因子与DNADNA特异序列特异序列结合，进而发挥转录调控作用结合，进而发挥转录

7、调控作用；组蛋白的组蛋白的N N末端末端尾巴可与参与维持染色质高级结构的多种尾巴可与参与维持染色质高级结构的多种蛋白质蛋白质相互作用，更加稳定了核相互作用，更加稳定了核小体的结构。而小体的结构。而组蛋白组蛋白乙酰化却减弱了上述作用，阻碍了核小体装配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（如成规则的高级结构（如螺线管）；螺线管）；组蛋白乙酰基转移酶（组蛋白乙酰基转移酶（HATHAT）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）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表达达。如如 CBPCBPP300P300对对P53P53的乙酰化可增强其特异性的乙酰化可增强

8、其特异性 DNADNA结合结合能力、转录激活能力，并延长其能力、转录激活能力，并延长其半衰期。半衰期。局部乙酰化举例局部乙酰化举例 当当DNADNA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DNADNA上相上相应的反应元件（应的反应元件（GREGRE）结合。当结合至）结合。当结合至GREGRE之后，糖皮质激素募集共激活因子如之后，糖皮质激素募集共激活因子如CBPCBP到染到染色体上的靶转录基因区。此时，共激活因子利用色体上的靶转录基因区。此时，共激活因子利用HATHAT活性使得结合在活性使得结合在DNADNA启动子区域的

9、核启动子区域的核心组蛋白乙酰化，进而使心组蛋白乙酰化，进而使DNADNA与组蛋白结合减弱，核小体释放，转录因子和与组蛋白结合减弱，核小体释放，转录因子和RNARNA聚合酶可聚合酶可以与以与DNADNA上特异的启动子结合，启动靶基因的转录。上特异的启动子结合，启动靶基因的转录。2. 2. 组蛋白的甲基化组蛋白的甲基化 组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histone histone methyl methyl transferasetransferase，HMTHMT）完成的。甲基化可发生在组）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

10、基能够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。饰和调节基因表达的复杂性。 研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态研究表明，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，而的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3H3和和H4H4精精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲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

11、定的标记。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组蛋白甲基化的调节机制1. H3-K91. H3-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: :首先组蛋白首先组蛋白脱乙酰酶使脱乙酰酶使H3H3中的中的K9K9、K14K14脱乙酰化脱乙酰化, ,然后然后Suv39h1Suv39h1或或Clr4Clr4对对H32K9H32K9进行甲基化进行甲基化,H32K9,H32K9的甲基的甲基化再影响化再影响DNADNA的甲基化的甲基化, ,随后甲基化的随后甲基化的H32K9H32K9做为一个结

12、合位点招募做为一个结合位点招募HP1HP1或或Swi6Swi6蛋白的定位蛋白的定位, ,最后最后HP1/Swi6HP1/Swi6通过它们的通过它们的shadowshadow染色质结合区域定位在染色质结合区域定位在C C末端末端, ,进而形成异染色质的多聚体。进而形成异染色质的多聚体。2. H32K92. H32K9甲基化对常染色体中基因表达调控的影响：甲基化对常染色体中基因表达调控的影响：3. 3. 组蛋白组蛋白其他位点上发生甲基化与基因表达的关系：大量实验表明其他位点上发生甲基化与基因表达的关系：大量实验表明H32K9H32K9甲基化的功能与基甲基化的功能与基因沉默有关，但其它位点甲基化可能

13、存在激活转录作用。因沉默有关，但其它位点甲基化可能存在激活转录作用。4. 4. 组蛋白组蛋白甲基化与甲基化与DNADNA甲基化：甲基化：H32K9H32K9的甲基化可以直接或间接影响的甲基化可以直接或间接影响DNA DNA 的甲基化，的甲基化，DNADNA甲基化可能是组蛋白甲基化的间接结果甲基化可能是组蛋白甲基化的间接结果3. 3. 组蛋白的磷酸化组蛋白的磷酸化组蛋白共价修饰间的关系组蛋白共价修饰间的关系组蛋白不同修饰之间的关系组蛋白不同修饰之间的关系乙酰乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在活性染化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在活性染色质和非活性染色质中都存在。组蛋

14、白色质和非活性染色质中都存在。组蛋白H3K9H3K9的甲基化在调节基因的甲基化在调节基因表达、染色质组装和异染色质形成过程发挥重要作用。表达、染色质组装和异染色质形成过程发挥重要作用。H3S10H3S10的的短暂磷酸化足以使短暂磷酸化足以使H3K9H3K9甲基化引起的染色质浓缩变得疏松。这是甲基化引起的染色质浓缩变得疏松。这是一个两种组蛋白同时调节染色质组装状态的例子：稳定的甲基化一个两种组蛋白同时调节染色质组装状态的例子：稳定的甲基化和动态的磷酸化标记。和动态的磷酸化标记。组蛋白的其他修饰方式组蛋白的其他修饰方式相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定的表观遗传信息。而

15、相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定的表观遗传信息。而乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他不稳定的修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他不稳定的修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、化、ADPADP核糖基化等等。这些修饰更为灵活的影响染色质的结构与功能，通过多种修饰方式核糖基化等等。这些修饰更为灵活的影响染色质的结构与功能，通过多种修饰方式的组合发挥其调控功能。的组合发挥其调控功能。组蛋白修饰的生物学意义组蛋白修饰的生物学意义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，改变染色质结尤其是组蛋白乙酰化、甲

16、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。质集结。有丝

17、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应，其中大多数由应，其中大多数由Aurora BAurora 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。核分裂中发挥多种功能。组蛋白修饰还参与组蛋白修饰还参与DNADNA损伤和凋亡。在凋亡的级联反应中，激酶（包括损伤和凋亡。在凋亡的级联反应中，激酶（包括CHK1CHK1和和CHK2CHK2）的主要底）的主要底物之一是组蛋白衍

18、生物物之一是组蛋白衍生物H2A.X H2A.X ，H2A.XH2A.X的磷酸化是凋亡早期最早标志之一。在凋亡后期，的磷酸化是凋亡早期最早标志之一。在凋亡后期，CaspaseCaspase激激活蛋白激酶活蛋白激酶Mst1, Mst1Mst1, Mst1使组蛋白使组蛋白H2BH2B的的1414位丝氨酸磷酸化。这一修饰在染色质浓缩步骤中可检测到，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。是凋亡途径良好的标记物。组蛋白密码学说的完善：组蛋白密码学说的完善：1. 1. 更好更好地开发新药。研究组蛋白密码对药物开发具有地开发新药。研究组蛋白密码对药物开发具有战略战略意义意义，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，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（HDACsHDACs）抑制剂已应用于临床治疗多种肿瘤）抑制剂已应用于临床治疗多种肿瘤；2. 2. 深入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探