表观遗传学 第三章 组蛋白修饰

1、Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC表观遗传学表观遗传学第三章第三章 组蛋白修饰组蛋白修饰生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCDNADNA PackingPackingr 1. 如何将如何将10,000公里长的蚕公里长的蚕丝丝(半径半径10-5米米)装入一个篮装入一个篮球中。球中。r 2. 蚕丝的体积：蚕丝的体积：3.14*10-3m3r 3. 折叠、缠绕折叠、缠绕生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 200

2、8-2009, Semester 1, USTC染色体上不同的区域染色体上不同的区域r Euchromatin: 常染色质；常染色质；r Heterochromatin: 异染色异染色质质r E-H或或H-称为染色质重塑称为染色质重塑(Chromatin Remodeling)r 分子机理：分子机理：DNA甲基化，甲基化，组蛋白修饰组蛋白修饰，染色质重塑复，染色质重塑复合物的协同作用。合物的协同作用。生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om常染色质与异染色质常染色质与异染色质r 1. 常染色质：基因表达常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结活跃的区域，染色体结构较为疏松构较为疏

3、松r 2. 异染色质：基因表达异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结沉默的区域，染色体结构致密构致密核小体核小体常染色质Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC异染色质生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC组蛋白与核小体组蛋白与核小体生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCHistoneHistone variantsvariants生物w秀w- 专 w.b心 b

4、i做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC组蛋白修饰组蛋白修饰生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC组蛋白修饰组蛋白修饰 (2)(2)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC主要的功能基团主要的功能基团r Acetylr Methylr Phosphorylr Ubiquitin生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpi

5、geneticEpigenetic differencesdifferences：monozygoticmonozygotic twinstwins5mCH4 乙酰化乙酰化Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCH3 乙酰化乙酰化生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC组蛋白共价修饰的功能组蛋白共价修饰的功能r 基因转录、基因转录、DNA损伤损伤修复、修复、DNA复复制制、染色体、染色体凝聚等凝聚等生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om内容纲

6、内容纲要要rrrrr一、组蛋白的一、组蛋白的乙酰乙酰化化二二、组蛋白的甲基化、组蛋白的甲基化三、组蛋白的三、组蛋白的磷酸磷酸化化四四、组蛋白的、组蛋白的泛素泛素化化五五、组蛋白的、组蛋白的SUMO化化r 六六、组蛋白密、组蛋白密码码Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC一、组蛋白的一、组蛋白的乙酰乙酰化化r 1. 通通常常发生在发生在蛋白质的蛋白质的赖氨酸赖氨酸(K)上；上；r 2. 可逆可逆的的生生化化反应反应：|

7、A. Histone acetyltransferase，HAT (30)| B. Histone deacetylase, HDAC (18)r 3. 分子分子效应效应：中：中和赖氨酸和赖氨酸上的上的正电荷正电荷，增加增加组蛋组蛋白与白与DNA的的排斥力排斥力r 4. 生生物学功能：物学功能：| A. 基因转录活化基因转录活化| B. DNA损伤修复损伤修复生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC组蛋白的组蛋白的乙酰乙酰化化r 中中和赖氨酸和赖氨酸的的正电荷正电荷，C=O具有具有一一定定的的负电负

8、电，能，能够增加够增加与与DNA的的斥力斥力，使得使得DNA结构结构变得变得疏松，疏松，从而导从而导致基因致基因的转录活化的转录活化生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCHATsHATs：转：转乙酰乙酰基基酶酶生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omGcn5/PCAFGcn5/PCAF & & p300/CBPp300/CBPGcn5/PCAFp300/CBPBr, bromodomain;Nr, nuclear receptor-interacting box;C

9、H, cysteine/histidine-rich module;KIX, phospho-CREBinteracting module;Q, glutamine-richdomain.具有保守的具有保守的HAT结构域结构域Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCBromodomainBromodomainr 1. An acetyl-lysinebinding domainr 2. HATs修饰修饰底底物物之后之后可

10、可能与能与底底物上的物上的乙酰乙酰化化赖氨酸赖氨酸结合结合生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATs:HATs: MYST(MYST(MOZ-Ybf2/Sas3-Sas2-TIP60) )Chromo, chromodomain;Ser, serine-rich domain;CH, cysteine/histidine-richmotif;H15, linker histones H1-and H5-like domain;NEMM, N-terminal part ofEnok, MOZ or MORF;PHD, PHD zinc finger;ED, glutama

11、te/aspartate-rich region;SM, serine/methionine-richdomainEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC具有保守的具有保守的MYST结构域结构域生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCHATHAT识别底识别底物的分子机物的分子机制制r A. hit-and-runmodel；r B. & C. attract-and-hit modelsr D. targeted actionmodelr E. rel

12、ay model: 两两个个HAT先后先后修饰修饰底底物物r F. HIV Tat K50被被p300修饰修饰后后，招募招募PCAF，再激再激活活特定特定基因。基因。(Bromodomain)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC人类人类IFN-IFN-基因的基因的激激活活A. DNA code: 序列模体、甲基化模式B. GCN5结合到启动子/增强子上C. 修饰H4K8和H3K9D. H3S10被RSK-2磷酸化，促使GCN5修饰H3K14E. SWI/SNF的BRG1特异性识别H4K8;TFI

13、ID的TAFII250识别H3K9和H3K14, 从而激活IFN-生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC蛋白质蛋白质乙酰乙酰化化调控调控基因转录基因转录r A. 乙酰乙酰化转录因子，化转录因子，使之使之与与DNA结结合能合能力增强力增强；r B. 转录因子活化的结构域转录因子活化的结构域招募招募HATs复合物；复合物；r C. HAT复合物复合物乙酰乙酰化组蛋白，化组蛋白，打开打开染色质；染色质；r D. 转录转录激激活；活；r E. HAT复合物中的共复合物中的共激激活子活子也被乙也被乙酰酰化修

14、饰；化修饰；r F. HAT复合物复合物乙酰乙酰化化之后离开之后离开，转，转录活录活性削弱性削弱。生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC组蛋白组蛋白乙酰乙酰化：化：DNADNA repairrepairr 1. DNA损伤损伤修复：修复：| A. Homologous recombination(HR)| B. Nonhomologous end-joining(NHEJ)r A. 完整完整的的DNA序列序列；r B. 双链断裂双链断裂；r C. NHEJ因子因子: (D) 修复因子与修复因子与(

15、E)染色质重塑因子；染色质重塑因子；r F. 染色质重塑的构染色质重塑的构型型，(G) 增大增大NHEJ局部浓度局部浓度；r H. 直至直至修复修复生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCHDACsHDACsr 1. Class I：HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8(定位于细定位于细胞胞核核)r 2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能能够在细够在细胞胞核与核与胞胞质质间间转转运运)r 3. Class II

16、I：Sirtuins (SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7)r 4. Class IV：HDAC11生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCClassicalClassical HDACsHDACs生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCHDACHDAC复合物复合物生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2

17、008-2009, Semester 1, USTCSirtuinsSirtuinsr 1. NAD-dependent protein deacetylaser 2. NAD: 烟烟酰酰胺腺嘌呤胺腺嘌呤二二核核苷苷酸酸r 3. ADP-ribosyl-transferase生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCSirtuinsSirtuinsr 割割裂裂NAD，释放释放nicotinamide (烟碱烟碱)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008

18、-2009, Semester 1, USTCSirtuinsSirtuins：吃吃的的少少，活，活得得长长r caloric restriction (CR)：延缓随年龄延缓随年龄增大增大易易发生发生的的疾病疾病和和癌症癌症，并并显著延显著延长长寿命寿命r CR: AL小小鼠鼠60%的的食食物：物：引起引起SIRT1蛋白质表达蛋白质表达量量增加增加/cgi/content/abstract/305/5682/390细胞中转入细胞中转入Bax或或Bax-Ku70复合复合物使得细胞凋亡率增加物使得细胞凋亡率增加？生物w秀w- 专 w.b心 bi做

19、oo生 .c物 omBaxBax促促使细使细胞凋亡胞凋亡r 1. Ku70与与Bax结合；结合；r 2. 受到信号受到信号的的刺刺激激，Ku70被乙酰被乙酰化，化，释放释放Bax；r 3. 游游离离Bax穿穿入入线粒线粒体，体，引起引起细细胞凋亡胞凋亡BaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCKu70乙酰化乙酰化在线粒体上打在线粒体上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡Bax生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCSIRT1:SIRT1: 减减弱弱BaxBax的的细

20、细胞凋亡胞凋亡能能力力Ku70的的K539 & K542被被SIRT1去乙酰化去乙酰化生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omBaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCKu70乙酰化乙酰化在线粒体上打在线粒体上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡BaxSIRT1SIRT1SIRT1生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC乙酰乙酰化与化与去去乙酰乙酰化化r 转录因子转录因子招募招募HDAC抑抑制制基因表达；基因表达；r 招募招募HAT复合物复合

21、物激激活基因表达。活基因表达。生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCHDACHDAC InhibitorInhibitorr 1. 主要主要针对针对ClassicalHDACs；r 2. 激激活活保护保护性性基因的表达基因的表达r 3. 抗肿瘤新药抗肿瘤新药生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om二二、组蛋白的甲基化、组蛋白的甲基化r 1. 主要主要发生在赖氨酸发生在赖氨酸(K)或或精精氨酸氨酸(R)上；上；r 2. Long-term；r 3. HKMTs (histone ly

22、sine methyltransferases) vs.PRMTs (protein arginine methyltransferases)r 4. 可逆可逆的的生生化化反应反应?r 5. 分子分子效应效应：增加赖氨酸增加赖氨酸上的疏上的疏水水力力r 6. 生生物学功能：物学功能：|A. 基因转录活化基因转录活化B. 基因转录沉默基因转录沉默C. X染色体失活染色体失活D. 异染色质致密状态异染色质致密状态 (heterochromatin compaction)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物

23、 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC精精氨酸和赖氨酸氨酸和赖氨酸甲基化的甲基化的过程过程生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCLysineLysine MethylationMethylationr 1. Mono-, di- or tri- methylationr 2. H3K9 & H3K27的的tri- methylation是是沉默的异染色质的沉默的异染色质的主要主要特特征征r 3. H3K9的的di- methylation对对

24、于于常染色质的基因表达常染色质的基因表达是必是必需需的的r 4. H4K20的的tri- methylation是癌症是癌症中的一个中的一个普遍现象普遍现象r 5. 有有丝分丝分裂裂期间期间，在在动粒动粒(centromere)附近附近的的H3K9的的tri-methylation负负责保证责保证染色体染色体顺利顺利完完成成分分裂裂r 6. 在在活化基因的活化基因的5端端和和启动启动子区域，甲基化子区域，甲基化出现出现的的模式模式为：为：| A. H4K20的的mono- methylation| B. H3K4的的di- or tri- methylation| C. H3K79的的di-

25、methylation生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC赖氨酸赖氨酸甲基化的功能甲基化的功能生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCHKMTsHKMTsr A. HKMTs的的家族成员家族成员以及各自以及各自的的底底物物识别特识别特异异性性；r B. Methyl-lysine结合结合蛋白质蛋白质生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009,

26、Semester 1, USTCHKMTsHKMTsr 除了除了Dot1外外，都都具有具有SET domain生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCr RNA polymerase II (Pol II)定位定位到到基基因因启动启动子区域，与子区域，与H3K4 & H3K36的的甲基转甲基转移移酶酶Set1, Set2 & Dot1相互相互作作用；用；r Activator (Act) 招募招募Rad6-Bre1复合复合物，物，并并加加载载到到Pol II上上r Rad6-Bre1

27、泛素泛素化化H2B，促促使使H3K4和和H3K79的甲基化；的甲基化；r 转录转录延延长长过程过程中，中，Pol II的的Ser2被磷被磷酸酸化，化，促促使使Set1分分离离下来下来；r 第一第一轮轮转录转录后后，基因，基因被被标记标记为为H3K4,H3K36 & H3K79甲基化甲基化r H3K4被被Chd1识别后识别后结合，结合，招募招募SAGA复合物；复合物；r SAGA复合物复合物乙酰乙酰化组蛋白化组蛋白r 转录转录保保持持激激活活组蛋白组蛋白赖氨酸赖氨酸甲基化与转录甲基化与转录生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009

28、, Semester 1, USTCArginineArginine MethylationMethylationr Type-I enzymes (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4,PRTM6 and PRMT8): -NG, NG,-asymmetricdimethylarginines (aDMA)r Type-II enzymes (PRMT5 and PRMT7): -NG, NG,-symmetric dimethylarginines (sDMA)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semes

29、ter 1, USTCPRMTsPRMTs调控调控基因转录基因转录r CARM1/PRMT4 (coactivator-associated argininemethyltransferase 1): 修饰修饰H3R2, H3R17 & H3R26生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC组蛋白组蛋白乙酰乙酰化、甲基化化、甲基化以及以及DNADNA甲基化的甲基化的关系关系r A. MBD结合甲基化的结合甲基化的DNA,招募招募HDAC, 组蛋白组蛋白去去甲基甲基化化, 招募招募HMT, 甲基化

30、组蛋甲基化组蛋白白, 转录沉默；转录沉默；r B. 组蛋白组蛋白无无乙酰乙酰化修饰化修饰,MBD结合甲基化的结合甲基化的DNA,再再与与SET结合，甲基化组结合，甲基化组蛋白蛋白;r C. 甲基化的组蛋白甲基化的组蛋白尾尾部招部招募募DNMT，对对基因长基因长期期沉沉默默生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC异染色质与常染色质的基因沉默异染色质与常染色质的基因沉默r A. 异染色质沉默：组蛋异染色质沉默：组蛋白白去去乙酰乙酰化；甲基化化；甲基化H3K9；招募招募HP1；形形成成异染色质异染色质r B. 常染色质沉默：转录常染色质沉默：转录因子因子E2F通通过过Rb招募招募HP1-Suv29h1；Suv29h1甲基化甲基化H3K9；HP1与与H3K9结合，沉默结合，沉默基因的表达基因的表达生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC去去甲基化甲基化酶酶生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigenetics, 2008-2009