组蛋白甲基化与去甲基化

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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

2、N 端“尾部”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

3、为一种标志或语言，也被称为 “组蛋白密码”1，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、 R26 及 H4 的 R3 均可被甲 基化。1

4、.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 (protein 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I型)，或对称 的双甲基化精氨酸(ADMA)(称为II 型)。在人体内已鉴别出11种PRMTs， 除PRMT2、10和11夕卜,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

5、酶活性，其中 PRMT1,4,6 属于 I 型的 PRMTs，而 PRMT5,7,9 属于 II 型 PRMTS23。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、SR

6、C/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- k B、p53 等募集到靶基因的启动子上发挥作 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4,5,6PRMT5 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

7、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

8、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 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H4R

9、3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,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 seri

10、ne 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， 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

11、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31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

12、表1.表1纽蛋门赖氮酸甲辛鞘移酗Tuhk 1 Hlslone lycine偎化位点Calalytie 析低名称Name物种来讲Sp&d能Set!醉怦YeastTriihunixASHISET1杲蝇 DraophiiaMLLSET7/SET9SMYD3乳动物H3K9Clr4悸母V注ISu(var)3-9ASHISUr39hLSUV39h2EXETMj 乳动物GLPRIZMEX-2戢虫 Newati.desE(Z)EZH2哺乳功物H3-K36Sell甘怦YeastKRD1HYPBMctnase哺乳动物MatttmalluH1K79Doll酵学YcaAtDuiLL哺乳功樹 MarnmiiliiinT

13、14K20Set?醉愕YeastSu(var)4-2()ASHI杲挝.DrmphilaSUV4-20hl?SUV4-20 h2SETK/PR-SET7NSDI哺乳动砌Maminfllian3.2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 II募集,参与基因转录延伸。赖氨酸甲基化是一个可以

14、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KIAA

15、0601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结构域的一个点突变(H305A) 就完全失去其酶活性。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。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