染色质与基因表达调控

1、第十一讲染色质与基因表达调控（第三部份Lecture11ChromatinandRegulationofGeneExpression（PartIII）4.染色质组蛋白的乙酰化和去乙酰化（AcetylationandDeacetylationofChromatinHistone）细胞内的染色质在乙酰化酶（HAT）的催化下，由乙酰CoA提供乙酰基，而被乙酰化修饰。去乙酰化酶（HDAC）催化其脱乙酰化。核小体组蛋白八聚体中，存在32个潜在的乙酰化位点,主要分布在H3和H4,其次为H2A和H2B。4.1组蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶的种类（TypesofHATandHDAC）4.1.1组蛋白乙酰化酶的种类

2、（TypeofHAT）HAT可分布在细胞核（A型）或胞浆（B型）。A型HAT复合物包括GNAT、MYST、p300/CBP、BasalTF、NuclearReceptorCo-factors五大家族。因此，有些HAT同时也是转录因子或转录共激活因子（图7476）。图74组蛋白乙酰化酶的分子结构Fig74MolecularStructureofHistoneAcetyltransferaseGrer-bromodamamsGrange-dinjmadmainsRd-GNATHATdinttisinPink-MYSThamdingyregion;HATLightBlue-&Greei-Znfing

3、ers(4GMATyHally5w25es3hpBOdMOFhMOZhHK1图75GNAT和MYST家族的组蛋白乙酰化酶结构域Fig75HATDomainsofGNATandMYSTFamilyGrer-bromodamamsGrange-dinjmadmainsRd-GNATHATdinttisinPink-MYSThamdingyregion;HATLightBlue-&Greei-Znfingers(4GMATyHally5w25es3hpBOdMOFhMOZhHK1图75GNAT和MYST家族的组蛋白乙酰化酶结构域Fig75HATDomainsofGNATandMYSTFamily表3

4、组蛋白乙酰化酶超家族Table3HATSuperfamilyHISTONEAcetylaseFamil/AcetylationInteractionswithotherHATGNAT伸”gGCN5)H3,H2BP300,CBPMYST(e.grE$a1)H2ArH4NonepOO/CBPH2A,H2B,H3,H4GCN5BasalTF(e.g.TAAID)NuctearReceptorCc-factor(e.g.SRC1)HJ5H4Hl,H4Nonep300,CBP4.1.2组蛋白去乙酰化酶的种类(TypeofHDAC)HDAC可分为三大亚家族：ClassIHDAC1,2,3,8；ClassI

5、IHDAC47,911；ClassIIISIRT17。表4组蛋白去乙酰化酶的种类Table4ClassesofHistoneDeacetylases（HDACs）dwntyhwAmino3tnitmKytoTAtfChromosomaltwaibnCJ*wlHtJAClttOACJ吨1SqJl.l-Sj3hJItDACSJ77yesXqJlJ-Xq2L3orXql3OtttllHDAC4K&AC51122怦i?q2lHDAC2UyesXplL23HDAC?953ytsl2q3JHQAC?yts7pti-p21HDAC10WyesKDACUfr54?yesSpls.iaftunioirtu&no

6、S1RTInc104122SlRTino19qlsmn3WnollpLSJsisnw说qS1RT5SIOIW6JV22J10SJRH400leic-hMtQtinAt（曲古抑茁素）Ih-pnipcciicfdas*iandeIms-IkltDAn&od&t|&mGiiromalln图76染色质的结构控制DNA的可接近性Fig76ChromatinStructureGovernsDNAAccessibility与组蛋白乙酰化修饰相关的乙酰化酶都属于CREB结合蛋白的同源蛋白，具有与多种基因表达调节蛋白或转录因子、RNA聚合酶II、核受体等的特异结合位点，不仅具有乙酰基转移酶活性，也是一种转录共激

7、活因子。组蛋白的乙酰化修饰状态可通过DNA的复制而从亲代传递给子代（图77）。IJle，gAgPiCAcAcAcAgftcAcAcAiM內GiftiAgAcA:占石舖gAqjLAcAcA.AciIlfAcAgAAcIJle，gAgPiCAcAcAcAgftcAcAcAiM內GiftiAgAcA:占石舖gAqjLAcAcA.AciIlfAcAgAAc恥AcAtiAtlaledcote帘aredistributedlandomlyatraplicartionHilonetaiis.areaclyEatadinjyre，nta1CTrcHnawttAcAtAtAtWhat悒responsiblefa

8、rrejEaring(heacetylatesstate?图77组蛋白乙酰化修饰状态的遗传Fig77TheStateofHistoneAcetylationIsInherited现将上述三种修饰作用对染色质结构与功能的影响总结于图78。HistonetleacetylaseHistonedenr&thylseAhistonemethyhaseHistone电匚创HistonetleacetylaseHistonedenr&thylseAhistonemethyhaseHistone电匚创yl申召巳(DNAdeme!hylas.&?)DNAmethylassActivestatefnadives

9、tagActivestate图78三种修饰作用对染色质的影响Fig78ThreeTypesofModificationAffectChromatin染色质中的DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白均涉及磷酸化-去磷酸化的修饰，许多传递信号的转录因子也需进行磷酸化修饰，因此磷酸化-去磷酸化是真核细胞中最为广泛而重要的基因表达调控方式。典型的例子是细胞周期的调控和生长因子信号传递途径。组蛋白的磷酸化和去磷酸化(PhosphorylationandDephosphorylationofHistone)组蛋白的磷酸化修饰与细胞周期调控密切相关，如组蛋白H1在有丝分裂开始时，为高磷酸化状态，而分裂末期则去磷酸

10、化；组蛋白H3在细胞分裂间期为S-10位磷酸化，而在有丝分裂期则为S-10和S-28位磷酸化(图79)。FInterphaseTfiwnplaonMetaphjsoe-UFInterphaseTfiwnplaonMetaphjsoe-Ude图79组蛋白H3的磷酸化调节Fig79PhosphorylatingRegulationofHistoneH3组蛋白的各种修饰作用之间存在相互影响，如H3-S10磷酸化修饰可抑制H3-K9甲基化促进H3-K14乙酰化（图80）。图80组蛋白修饰作用的相互依赖性Fig80InterdependenceofHistoneModifications组蛋白H3尾端修

11、饰状态决定染色质由转录失活状态向转录激活状态的转变（图81）。Inactive画ftlBArgTfirLysGinThrAlaArgLysSerThrGluG：luLysi2J45G76510H1314DemethylaseDemethylaseAcetylaseAcetylaseAhArflTtirLys.GinThrAlaArgLysSerThrGluGInLys123456769IQ11121314Kiri遜LysSerThrGluGluLys01&LysSerThrGluGluLys01&體備14ActiveAlaAr-gThrLysGJnThrAEaArg1534570图81组蛋白H

12、3尾端修饰状态的改变Fig81TheHistoneH3TailExistsinAlternativeStates转录因子的磷酸化和去磷酸化(PhosphorylationandDephosphorylationofTranscriptionFactors)许多介导细胞信号转导的转录因子、转录激活/阻遏因子、转录共激活/共阻遏因子，通过多位点的磷酸化修饰，以调节其活性。典型的有CREB、p53、HSF1、AP-1、STAT等等。转录因子磷酸化/去磷酸化修饰主要影响：转录因子的稳定性；转录因子的核定位；蛋白质-蛋白质相互作用；转录因子与DNA的结合活性；转录因子的降解标记。6.染色质的泛素化和去泛

13、素化(UbiquitinationandDeubiquitinationofChromatin)泛素(ubiquitin)是一种小分子酸性蛋白质，富含Glu和Asp，普遍存在于真核细胞中(图82)。图82泛素的分子结构Fig82MolecularStructureofUbiquitin6.1蛋白质的泛素化作用(UbiquitinationofProtein)首先由泛素活化酶催化泛素的活化，再将活化的泛素与泛素结合酶连接，并与泛素连接酶及目的蛋白形成三元复合物，最后在泛素连接酶的催化下，使目的蛋白被泛素化(图83)。AEjAEj：泛素活化酶E1：泛素结合酶Ei：泛素蛋白连接酶图83蛋白质的泛素化

14、过程Fig83UbiquitinationProcessofProtein蛋白质如发生单泛素化或泛素-K63位的多泛素化，或与泛素样蛋白SUMO连接，则涉及蛋白质活性的调节。蛋白质如发生泛素-K29或-K48位的多泛素化，则被蛋白质酶体降解。泛素化和去泛素化的作用(EffectsofUbiquitinationandDeubiquitination)蛋白质的泛素化修饰不仅与蛋白质降解有关，也影响蛋白质-蛋白质相互作用、DNA定位、转录激活/阻遏、转录因子的稳定性等。6.2.1组蛋白的泛素化（UbiquitinationofHistone）组蛋白H2B-K120（酵母中为K123）的泛素化修饰是

15、调节组蛋白H3甲基化修饰及基因转录的开关。如果H2B-K120被泛素化修饰，则促进H3-K4甲基化修饰，有利于基因转录起始；然后，H2B-K120被去泛素化，促进H3-K36甲基化修饰，有利于基因转录延伸（图84）。H2B0TranscriptionelongationTranscriptioninitiationH2B0TranscriptionelongationTranscriptioninitiation图84H2B泛素化调节H3甲基化Fig84H2BUbiquitilationRegulatesH3Methylation转录因子的泛素化（UbiquitinationofTranscriptionFactors）泛素蛋白连接酶E3也参与RNA聚合酶II转录装置及染色质重建复合物的装配和调节。RNA聚合酶II转录装置中的若干转录因子、转录共激活/阻遏因子的活性均可通过泛素化修饰以调节其活性。有些无活性的转录因子前体则需经泛素化和蛋白酶体降解后才具有活性。7.染色质的其他修饰（OtherModificationofChromatin）底物蛋白的ADP-核糖基化修饰由多聚ADP-核糖聚合酶（PARP）催化完成。应激刺激可促使组蛋白尾ADP-核糖基化修饰，使核小体松解，在短时间内产生大量转录体。除此之外，PARP还可催化转录因子、DNA修复蛋白等的ADP