《组蛋白甲基化与去甲基化》由会员分享，可在线阅读，更多相关《组蛋白甲基化与去甲基化（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、组蛋白甲基化与去甲基化的机制及功能研究摘要：组蛋白修饰是真核生物中最重要的控制基因转录调节的表观遗传修饰之一。其中，组蛋白甲基化和去甲基化又是组蛋白最主要的并且研究较为清楚的修饰种类。经典的分子生物学和基因工程工具为组蛋白甲基化和去甲基化提供了很有利的研究手段。在此，我们回顾了一下此方面成就和进展，对组蛋白甲基化和去甲基化的机制和功能进行了较为详细的介绍。关键词：组蛋白 甲基化 去甲基化 机制 功能核小体是染色质的基本组成单位，是由 4 种核心组蛋白(H3、H4 、H2A 、H2B) 叠加构成的一种八聚体复合物，同时也是 DNA 的载体，其外盘绕着核酸链。4 种组蛋白结合紧密，但其 N 端“尾
2、部”却伸向核小体外侧，是各种组蛋白修饰酶的作用靶点，这些修饰在基因的转录调控中发挥着重要作用：一方面它们能够改变染色质的结构状态而影响转录；另一方面，它们也可作为某些转录因子的识别位点和结合平台，从而募集基因转录的调控因子 1。组蛋白修饰有很多种，如：甲基化、乙酰化、范塑化等。组蛋白修饰可以发生在不同的位点，同一位点也可以发生不同的组蛋白修饰，这些修饰通过影响组蛋白-DNA 和组蛋白-组蛋白的相互作用而改变染色质的结构。单一的组蛋白修饰往往不能独立地发挥作用，一种修饰的存在可以指导或抑制同一组蛋白上另一修饰的存在，形成一个修饰的级联。这些修饰可以作为一种标志或语言，也被称为“组蛋白密码” 1，
3、组蛋白密码大大丰富了传统遗传密码的信息含量。组蛋白甲基化是目前研究相对清楚的一种组蛋白修饰。组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histone methylation transferase，HMT）完成的，可以发生在赖氨酸和精氨酸两种氨基酸残基上。赖氨酸可以分别被一、二、三甲基化，精氨酸只能被一、二甲基化，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。其中，组蛋白 H3 的K4、K9、K27、K36、K79、H4 的K20 和 H3 的 R2、Rl7 、R 26 及 H4的 R3 均可被甲基化。 1.精氨酸的甲基化1.1 组蛋白精氨酸甲基转移酶蛋白精氨酸甲基转移酶(pro
4、tein arginine methyltransferases ,PRMTs)能够将 S-腺苷甲硫氨酸(AdoMet) 上的甲基转移到靶蛋白精氨酸残基末端的胍基上，反应最初产生单甲基化精氨酸，也可连续两次催化得到非对称双甲基化精氨酸(SDMA)(称为型)，或对称的双甲基化精氨酸(ADMA)(称为型) 。在人体内已鉴别出 11 种 PRMTs，除PRMT2、10 和 11 外，其他的 PRMTs都具有催化精氨酸甲基化的能力，而PRMT1、4、5、6、7 和 9 具有特异的组蛋白精氨酸甲基转移酶活性，其中 PRMT1,4,6 属于型的 PRMTs，而 PRMT5,7,9 属于型 PRMTs2,3
5、。1.2 组蛋白精氨酸甲基化与基因调控组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，在基因转录调控中发挥着重要作用，并能影响细胞的多种生理过程，包括 DNA 修复，信号传导，细胞发育及癌症发生等 26 种组蛋白精氨酸甲基转移酶对组蛋白的修饰而引起基因转录的调控并不相同，其中 PRMT1 和 PRMT4 的修饰能引起基因转录的激活，而 PRMT5 和PRMT6 的修饰则引起基因转录的抑制。PRTM1 和 PRMT4 在外界刺激(如雌激素 )下激活转录，它能与CBP/p300、SRC/p160 蛋白家族等形成大的转录激活复合物，这个复合物被其他转录因子如核受体、NF-B、 p53 等募集到靶基因的启动子
6、上发挥作用，其中具有酶活性的辅激活因子对染色质上的组蛋白进行修饰，首先是 PRMT1 对 H4R3 位点的甲基化，这一修饰被认为是启动信号，接下来是 CBP/p300 对 H3K14 的乙酰化以及 PRMT4 对 H3R17 的甲基化，这些因子还能与染色质重塑复合物和基本转录机相互作用，催化染色质构象改变并最终激活基因转录 4,5,6。PRMT5 与 PRMT1 和 PRMT4 有相似的调控方式：PRTM5 会与一些转录相关因子（主要是辅抑制因子）形成复合物来参与基因转录调控；也能与染色质重塑复合物相互作用，调节染色质构象改变，达到抑制转录的目的。PRMT6 是一种具有自我甲基化活性的 I 型
7、精氨酸甲基转移酶，PRMT6 对 H3R2 的甲基化修饰会阻止重要的识别亚基与 H3K4 位点的结合，使复合物无法被激活，从而抑制H3K4 的甲基化，抑制基因转录 7，8 。2.精氨酸的去甲基化催化组蛋白精氨酸去甲基化酶主要有两个：一个是肽基精氨酸去亚胺基酶 4( peptide arginine deiminase 4, PADI/PAD4)，它能将蛋白质内单甲基化的精氨酸脱去甲基和亚胺基，进而转化为瓜氨酸，因此这一过程常被称为去亚胺基化(deimination)或瓜氨酸化(citrullination) 9另一个酶是JmjC 区域包含蛋白 6(JmjC domain-containing
8、6protein,JMJD6)，它能够特异地将精氨酸上的甲基通过羟基化的过程转化为甲醛，从而实现甲基的脱离 10.PADI4 对 H2A，H3，H4 三种组蛋白具有催化活性，对 H2A 和 H4 的修饰位点位于第三位的精氨酸上，并且这两个位点具有 SGRGK 的序列保守性；而对 H3 的修饰位点较多，包括：H3R2 、R8 、R17 和 R26，它们并不具有序列上的保守性 11其中H3R8、 H3R17 以及 H4R3 是 PADI4在体内的主要作用位点。PADI4 对组蛋白 H3 上精氨酸的修饰会抑制激素受体介导基因(hormonereceptor-mediatedgene)的转录，他们发现
9、，当激素刺激引起基因转录下调时，PADI4 会被募集到 pS2 基因的启动子上，并引起 H3 上相应位点的去亚胺基化，这种修饰会阻止 CARM1 对H3 精氨酸的催化，后者被认为是激素介导基因转录所必需的，PADI4 就是通过去亚胺基化作用拮抗了CARM1，从而抑制了转录的进行JMJD6 是真正意义上的精氨酸去甲基化酶。JMJD6 在发现之初被称作磷酸化丝氨酸受体(phosphatidyl serine receptor,PSR)，因为它位于吞噬细胞表面，能够特异地识别凋亡细胞细胞膜上含有磷酸化丝氨酸的蛋白质，进而介导这些凋亡细胞的清除，在胚胎发育和细胞程序性凋亡中发挥重要作用随着研究的深入，
10、PSR 的多个核定位信号被识别，表明其可能在细胞核内也能发挥功能 12通过序列分析表明，PSR 含有一个保守且具有酶活性的 JmjC 区域，这为它成为一种精氨酸的去甲基化酶提供了前提条件。直到 2007 年，Chang 等 13终于证实PSR(也就是 JMJD6)是一种特异的组蛋白精氨酸去甲基化酶他们首先利用不同甲基化位点的专一性抗体，发现 JMJD6 能催化组蛋白 H3R2 和H4R3 的去甲基化，这一作用对单甲基化、对称双甲基化和非对称双甲基化精氨酸都有效果，但对相邻的赖氨酸以及 H3R17 和 H3R26 的甲基化没有任何影响，随后利用特定的反应体系确定了 JMJD6 的这种催化活性依赖
11、于 Fe2+和酮戊二酸的参与，而最后的质谱分析和转染实验也显示细胞内的确存在 JMJD6 这一催化能力3.赖氨酸的甲基化3.1 组蛋白赖氨酸甲基转移酶组蛋白赖氨酸的甲基化是由不同的特异的组蛋白赖氨酸甲基化转移酶（histone lysine methyltransferases，HKMTs）催化的。根据组蛋白赖氨酸甲基转移酶作用靶位点的特异性及物种来源的不同，做出总结，见表 1.3.2 组蛋白赖氨酸甲基化与基因调控组蛋白赖氨酸甲基化对基因转录的调控不仅取决于赖氨酸残基位点及甲基化程度,而且与组蛋白赖氨酸甲基化在基因的区域有关。异染色质H3K9 甲基化是基因转录沉默的标志。基因编码区 H3K9
12、甲基化与基因激活有关。H3K4 甲基化是基因转录激活的标志。含有 SET 区域的 HYPB 蛋白能特异性催化 H3K36 甲基化,通过磷酸化的 Pol募集,参与基因转录延伸。赖氨酸甲基化是一个可以逆转的组蛋白表遗传修饰。一般来说，组蛋白 H3K4 的甲基化主要聚集在活跃转录的启动子区域，与基因激活相关；而第 9 位和第 27 位赖氨酸甲基化同基因的转录抑制及异染色质有关。此外，H4K20 的甲基化与基因沉默相关，H3K36 和 H3K79 的甲基化与基因激活有关。4.赖氨酸的去甲基化4.1 组蛋白赖氨酸去甲基化酶精氨酸脱亚氨基酶-PADI4/PAD4的发现让人们意识到组蛋白甲基化也是能够被逆转
13、的。寻找组蛋白去甲基化酶经历了一个漫长的路程,胺氧化酶一直被认为具有潜在的去甲基化酶作用。直到 Shi 等通过实验发现赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶 1(LSD1)才验证了这一假说。LSD1 是 KIAA0601编码的一个蛋白质,其 C 端 2/3 与FAD 依赖性胺氧化酶有高度的序列同源性。其 N 端含一个 SWIRM 结构域,该结构域的功能是作为蛋白-蛋白相互作用基序。之后，研究发现 JmjC 蛋白JHDM1、JHDM2、JMJD23 个亚家族中的许多成员都具有组蛋白赖氨酸去甲基化酶活性。JmjC 蛋白去甲基化酶活性依赖于 JmjC 结构域的完整 ,功能上高度保守，如 JmjC 结构域的一个
14、点突变(H305A) 就完全失去其酶活性 4。但仅有 JmjC 结构也不能完成一个去甲基化催化过程,还需要有另外不同的结构域共同作用才能发挥去甲基化的催化反应。如 JHDM2 亚家族在人和鼠发现有JHDM2A、JHDM2B、JHDM2C3 个成员,分子结构中除 JmjC 外,还有 1 个锌指区。这 2 个结构域均与组蛋白赖氨酸去甲基酶活性有关。研究发现,JMJD2A 不仅具有组蛋白赖氨酸去甲基化酶活性,其分子结构中 Tudor 结构域能特异性结合 H3K4Me3 和H4K20Me3。4.2 组蛋白赖氨酸去甲基化与基因调控组蛋白赖氨酸去甲基化酶通过改变赖氨酸残基位点上的甲基化状态而调控基因转录。
15、LSD1 在基因表达调控中的作用取决于特异性底物。LSD1不同的分子伴侣介导 LSD1 作用于不同的底物,产生不同的生物学效应。研究表明 CoREST 复合体中的 LSD1 作为转录复合抑制因子,能使 H3K4 去甲基化,抑制一些神经元特异性基因(M4、AchR 、 SCN1A、SCN2A 和SCN3A)的表达。应用 RNAi 沉默HeLa 细胞 LSD1 后,发现这些神经元特异性基因启动子区 LSD1 显著减少,并伴随 H3H4 和基因的表达增加 14。这些结果提示 LSD1 能够使 H3K4 去甲基化,抑制内源性基因的表达。另一方面,LSD1 以配基依赖方式与雄激素受体(AR)结合形成复合
16、体,能够使 H3K9 去甲基化,刺激 AR 靶基因转录。在 LNCaP 细胞研究中发现,LSD1 能与雄激素受体(AR)相互作用,促进 AR 依赖性相关基因的转录,应用RNAi 敲除 LSD1 或应用帕吉林(Pargyline)阻止 LSD1 对 H3K9 去甲基化作用,均可抑制 AR 依赖的 PSA 基因表达和雄激素诱导的细胞增殖 15。JHDM1 亚家族中 JHDM1A 和JHDM1B 能使 H3K36Me2/Me1 去甲基化。但在基因表达调控中的作用尚不清楚。JHDM2 亚家族 3 个成员中,已发现 JHDM2A 和 JHDM2B 能特异性使 H3K9 去甲基化。JHDM2A 基因是雄性生精细胞特异性基因,与生精细胞发育有关。在 F9 细胞中发现JHDM2A 能特异性与生精细胞分化有关的 LamB1 和 Stra6 基因启动子结合,介导 H3K9 去甲基化,降低 H3K9me2水平,激活 LamB1 和 Stra6 基因表达 16。类似 LSD1,J
