染色质和DNA的修饰

1、染色质和DNA的修饰摘要：染色质是核内能被碱性染料染色的物质，有常染色质和异染色质之分，其主要成分是组蛋白和DNA,染色质的修饰主要指组蛋白和DNA的修饰。组蛋白的修饰有甲基化，乙酰化，磷酸化，泛素化等。组蛋白的这些修饰共同组成组蛋白密码。DNA的修饰主要包括甲基化和磷酸化。这些修饰共同调控着基因表达和生物个体的发育。在染色质整体水平上会导致染色质重构。关键字：染色质、组蛋白、DNA、修饰、组蛋白密码、基因表达、染色质重构。1染色质染色质最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后强烈着色的物质。现在认为染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。染色质的基本化学成分为脱氧核糖

2、核酸核蛋白，它是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合物。根据着色的深浅染色质有常染色质和异染色质之分。常染色质一般位于核的中央，基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松。异染色质一般位于核的边缘，是基因表达沉默的区域，染色体结构致密。染色质化学修饰的类型染色质化学修饰是指对染色质的组成成分，如DNA、RNA、组蛋白、非组蛋白进行化学基团的添加或去除的反应过程。常见的染色质化学修饰方式有：甲基化-去甲基化，乙酰化-去乙酰，磷酸化去磷酸。除此之外，还包括泛素化ADP-核糖基化和二硫键形成等修饰方式。染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物。目前，已在细胞中发现了一系列的染色质修

3、饰酶类，这些酶不仅具有高度的位点特异性，而且对底物原有的修饰状态也有选择性。组蛋白的化学修饰位点通常位于其N-端或C-端尾区，极少数情况下（如H3-K79）位于内部；有些位点可发生双修饰反应；相邻位点的磷酸化修饰与甲基化修饰可能相互干扰。染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物。2组蛋白修饰组蛋白有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4。富含带正电荷的碱性氨基酸（Arg和Lys）, 能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。 是一类小分子碱性蛋白质。并且组蛋白是已知蛋白质中最保守的蛋白质。组蛋白化学修饰发生在组蛋白N端尾部，尤其是组蛋白H3和H4的修饰起始了染色质结构的变

4、化。组蛋白尾部由20个氨基酸组成，并且从DNA转弯处的核小体间延伸出来。2.1组蛋白的甲基化组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(histonemethyl transferase，HMT)完成的。甲基化可发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够发生单、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饰和调节基因表达的复杂性。甲基化的作用位点在赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)的侧链N原子上。组蛋白甲基化对基因表达有一定的影响：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H3和H4精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相

5、关。相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。如：与基因激活相关的赖氨酸残基甲基化：H3第4位、第36位、第79位。而与基因沉默相关的赖氨酸残基甲基化：H3第9位、第27位以及H4的第20位。但应当注意的是，甲基化个数与基因沉默和激活的程度相关。2.2组蛋白的乙酰化组蛋白乙酰化主要发生在H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位置上，是由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行。组蛋白乙酰化呈多样性，核小体上有多个位点可提供乙酰化位点，但特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一种非随机的、位置特异的方式进行。一般在两种情况下发生：一种是在DNA复制过程中短暂发生、另一种在激活基因表

6、达时。乙酰化对基因表达和染色质的结构都有影响，乙酰化可能通过中和赖氨酸以及精氨酸的正电荷来增加与DNA的排斥力，以及通过相互作用蛋白的影响，来调节基因转录。早期对染色质及其特征性组分进行归类划分时就有人总结指出：异染色质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。最近有研究发现，某些HAT复合物含有一些常见的转录因子，某些HDAC复合物含有已被证实的阻遏蛋白。这些发现支持了高乙酰化与激活基因表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。2.3组蛋白的其它修饰方式相对而言，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。而乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他不稳定的修

7、饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP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。所以有人称这些能被专识别的修饰信息为组蛋白密码。这些组蛋白密码组合变化非常多，因此组蛋白共价修饰可能是更为精细的基因表达方式。另外，研究发现H2B的泛素化可以影响H3K4和H3K79的甲基化，这也提示了各种修饰间也存在着相互的关系。3 DNA修饰DNA是一种分子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作。带有遗传信息的DNA片段称为基因。DNA的修饰有好几种类型，其修饰对基因表达有着重要的影响。3.1DNA甲基化DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，这一修

8、饰途径可能存在于所有高等生物中并与基因表达密切相关。是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG岛的CpG二核苷酸的胞嘧啶5碳位共价键结合一个甲基基团。此过程用到的酶是甲基化酶和去甲基化酶。其中甲基化酶有两种形式，维持性甲基化转移酶和从头合成型甲基化转移酶。DNA甲基化存在一些特殊的分布，染色体水平上，DNA甲基化在着丝粒附近水平最高；基因水平上，DNA甲基化高水平区域涵盖了多数转座子，假基因和小RNA编码区。最新的研究发现，甲基化似乎对长度较短的基因有较强的转录调控能力，而对长基因的调控能力十分微弱。DNA甲基化是可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂能在细胞或个体世代间遗传，现在称

9、之为表观遗传学；是基因表达的改变，没有DNA序列的变化，或不能用DNA序列变化来解释。在DNA去甲基化酶的作用下可以去甲基化，即具有可逆性。3.2 DNA甲基化的作用原核生物中，DNA甲基化是为了抵抗噬菌体侵害而发生碱基C和A上的化学修饰 。如大肠杆菌的限制修饰系统中，自身DNA特定位点的甲基化可以避免限制性内切酶的切割。真核生物中，甲基化被分为对称性甲基化，包括CpG和CpNpG，以及非对称甲基化，包括CpHpH。多数细胞 5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG中。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、组蛋白修饰及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。DNA甲基化为正常发育所必需。

10、正常细胞中DNA甲基化的功能包括转座因子的沉默、病毒序列的失活、染色体完整性的维持、X染色体失活、基因组印记及大量基因的转录调节等。一些研究还发现随着个体年龄的不同，DNA甲基化水平存在差异，提示个体的发育和衰老过程与DNA甲基化相关。大量研究表明，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。DNA甲基化能引起染色质的结构、DNA构象、DNA稳定性以及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。研究证实，CpG二核苷酸的胞嘧啶的甲基化导致了人体三分之一以上剪辑转换而引起的遗传病。实验证明，甲基化这个过程不但与DNA的复制起始及错误修正时的定位有关，还可以通过

11、基因的表达参与细胞生长，发育过程及染色印迹，X染色体失活等的调控。3.3两类新的碱基DNA碱基组成是各种生物一个稳定的特征，这种组成不受年(菌)龄以及突变因素以外的外界条件的影响，即使个别基因突变，碱基组成也不会发生明显变化。一般认为DNA分子含有四种碱基：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。近几年，有人将表观遗传学修饰5-甲基胞嘧啶称为第5种碱基，5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC）称为第6种碱基。研究人员在人体胚胎干细胞和实验老鼠器官染色体组中发现了两种新型的DNA碱基：5fC（5-甲酰胞嘧啶）和5caC（5-羧基胞嘧啶），改变了原有认为DNA碱基只有4种（近期增加至6种）

12、的观点，这对于干细胞和癌症的研究具有重要意义。这两种碱基实际上都是由胞嘧啶经Tet蛋白修饰后形成。这两种新碱基代表了DNA脱甲基过程中的一个中间状态。通过去甲基化或重新激活DNA甲基化所沉默的肿瘤抑制基因，它们可能为干细胞重新编程和癌症研究提供非常重要的信息。这一成果也说明科学家们可以利用DNA甲基化，重新激活已被沉默的肿瘤抑制基因。3.4 DNA其他形式的修饰DNA除了甲基化也可以进行乙酰化，羟甲基化，甲基化和乙酰化都是对DNA分子的组成元件碱基的修饰。除此之外还有在基因复制和转录过程中，对内含子的剪切以及外显子的连接，基因复制过程中加入了一些稀有碱基等都可以称为是对基因的修饰。4染色体的重

13、构在整体水平上，染色体的这些修饰可能导致染色体的重构，即染色质位置和结构的变化，主要涉及核小体的置换或重新排列，改变了核小体在基因启动序列区域的排列，增加了基因转录装置和启动序列的可接近性。染色质重塑与组蛋白 N 端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白 H3 和 H4的修饰 ，通过修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白质提供了与DNA作用的结合位点。染色质重塑修饰方式主要包括两种：一种是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰；另一种是依赖ATP水解释放能量解开组蛋白与 DNA 的结合，使转录得以进行。染色质重构（chromatin remodelling）和基因转录之间的关系是非常复杂的。尽管现

14、在已经确定了许多ATP依赖的染色质重构蛋白质，但它们在基因转录活动中的功能还不清楚。参考文献1 成龙,廖爱军. 组蛋白甲基转移酶研究进展J. 肿瘤基础与临床. 2008(05)2 王伟,李兆申,满晓华,高军,龚燕芳. DNA甲基转移酶1和组蛋白脱乙酰基酶1在胰腺组织中的表达及其临床意义J. 胃肠病学. 2008(09)3 阮建彬,臧建业. 组蛋白去甲基化酶LSD1的结构和功能研究进展6 郑杰. 组蛋白赖氨酸甲基化修饰与肿瘤J. 生命科学. 2008(03)4 廖丹,石巍. 组蛋白甲基化与乙酰化的研究进展J. 现代生物医学进展. 2008(05)5 夏晗,刘美芹,尹伟伦,卢存福,夏新莉. 植物D

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