组蛋白修饰公共课

1、组蛋白修饰公共课DNA Packing1. 如何将10,000公里长的蚕 丝(半径10-5米)装入一个篮 球中。2. 蚕丝的体积：3.14*10-3m33. 折叠、缠绕染色体上不同的区域Euchromatin: 常染色质；Heterochromatin: 异染色质E-H或H-E称为染色质重塑(Chromatin Remodeling)分子机理：DNA甲基化，组蛋白修饰，染色质重塑复合物的协同作用。常染色质与异染色质1. 常染色质：基因表达 活跃的区域，染色体结 构较为疏松 2. 异染色质：基因表达 沉默的区域，染色体结 构致密常染色质异染色质核小体组蛋白与核小体组蛋白 有五种类型：H1 、H2

2、A 、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 组蛋白是已知蛋白质中最保守的Histone variants组蛋白修饰组蛋白修饰（2）主要的功能基团AcetylMethylPhosphorylUbiquitinEpigenetic differences：monozygotic twins5mC H4 乙酰化 H3 乙酰化组蛋白共价修饰的功能基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等内容纲要一、组蛋白的乙酰化二、组蛋白的甲基化三、组蛋白的磷酸化四、组蛋白的泛素化五、组蛋白的SUMO化六、组蛋白

3、密码一、组蛋白的乙酰化1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；2. 可逆的生化反应： A. Histone acetyltransferase，HAT (30) B. Histone deacetylase, HDAC (18)3. 分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与DNA的排斥力4. 生物学功能： 基因转录活化B. DNA损伤修复组蛋白的乙酰化 中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电，能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化HATs：转乙酰基酶具有保守的HAT结构域Br, bromodomain;Nr, nuclear receptorinterac

4、tingbox;CH, cysteine/histidinerichmodule;KIX, phospho-CREBinteracting module;Q, glutamine-richdomain.Gcn5/PCAFp300/CBP人类IFN-基因的激活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;TFIID的TAFII250识别H3K9和H3K14, 从而激活IFN-蛋白质乙酰化调控基因转录A. 乙酰化转录因子，使

5、之与DNA结合能力增强；B. 转录因子活化的结构域招募HATs复合物；C. HAT复合物乙酰化组蛋白，打开染色质；D. 转录激活；E. HAT复合物中的共激活子也被乙酰化修饰；F. HAT复合物乙酰化之后离开，转录活性削弱。组蛋白乙酰化：DNA repair1. DNA损伤修复：A. Homologous recombination(HR) B. Nonhomologous end-joining(NHEJ)A) 完整的DNA序列；B)双链断裂；C) NHEJ因子: (D) 修复因子与(E)染色质重塑因子；F) 染色质重塑的构型 G) 增大NHEJ局部浓度；H) 直至修复 HDACs1. Cl

6、ass I：HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8 (定位于细胞核)2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能够在细胞核与胞质间转运)3. Class III：Sirtuins (SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7)4. Class IV：HDAC11Classical HDACsHDAC复合物乙酰化与去乙酰化转录因子招募HDAC抑制基因表达；招募HAT复合物激活基因表达。HDAC Inhibitor1. 主要针对Classical HDACs；2. 激

7、活保护性基因的表达3. 抗肿瘤新药组蛋白乙酰化对染色质结构及基因转录的影响 组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活性变化的机制： 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的DNA链的亲和性，导致局部DNA与组蛋白八聚体解开缠绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白因子与DNA特异序列结合，进而发挥转录调控作用； 组蛋白的末端尾巴可与参与维持染色质高级结构的多种蛋白质相互作用，更加稳定了核小体的结构。而组蛋白乙酰化却减弱了上述作用，阻碍了核小体装配成规则的高级结构（如螺线管）； 组蛋白乙酰基转移酶对相关的转录因子或活化因子进行乙酰化修饰以调节基因的表达。 二、组蛋

8、白的甲基化1. 主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；2. Long-term；3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs.PRMTs (protein arginine methyltransferases)4. 可逆的生化反应?5. 分子效应：增加赖氨酸上的疏水力6. 生物学功能： A. 基因转录活化 B. 基因转录沉默 C. X染色体失活 D. 异染色质致密状态(heterochromatin compaction)精氨酸和赖氨酸甲基化的过程 目前发现24 个组蛋白甲基化位点，其中17 个位于赖氨酸，其他7 个位于精氨酸。赖氨酸可以是

9、单甲基化、双甲基化和三甲基化，精氨酸也可以是单甲基化或者双甲基化。如果把这3 种甲基化状态都考虑在内，应该一共有31011种组蛋白甲基化组合状态，复杂的组合为组蛋白甲基化发挥功能调控作用提供更大的潜能。 赖氨酸甲基化1. Mono-, di- or tri- methylation2. H3K9 & H3K27的tri- methylation是沉默的异染色质的主要特征3. H3K9的di- methylation对于常染色质的基因表达是必需的4. H4K20的tri- methylation是癌症中的一个普遍现象5. 有丝分裂期间，在动粒(centromere)附近的H3K9的trimeth

10、ylation负责保证染色体顺利完成分裂6. 在活化基因的5端和启动子区域，甲基化出现的模式为： A. H4K20的mono- methylation B. H3K4的di- or tri- methylation C. H3K79的di- methylation赖氨酸甲基化的功能HP1:异染色质蛋白HKMTsA. HKMTs的家族成员以及各自的底物识别特异性；B. Methyl-lysine结合蛋白质除了Dot1外，都具有SET domainHKMTs组蛋白赖氨酸甲基化与转录RNA polymerase II (Pol II)定位到基因启动子区域，与H3K4 & H3K36的甲基转移酶Set

11、1, Set2 & Dot1相互作用；Activator (Act) 招募Rad6-Bre1复合物，并加载到Pol II上Rad6-Bre1泛素化H2B，促使H3K4和H3K79的甲基化；转录延长过程中，Pol II的Ser2被磷酸化，促使Set1分离下来；第一轮转录后，基因被标记为H3K4,H3K36 & H3K79甲基化H3K4被Chd1识别后结合，招募SAGA复合物；SAGA复合物乙酰化组蛋白转录保持激活精氨酸甲基化Type-I enzymes (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4,PRTM6 and PRMT8): -NG, NG,-asymmetric dimeth

12、ylarginines (aDMA)Type-II enzymes (PRMT5 and PRMT7): -NG, NG,-symmetric dimethylarginines (sDMA)PRMTs调控基因转录CARM1/PRMT4 (coactivator-associated argininemethyltransferase 1): 修饰H3R2, H3R17 & H3R26组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系A. MBD结合甲基化的DNA,招募HDAC, 组蛋白去甲基化, 招募HMT, 甲基化组蛋白, 转录沉默；B. 组蛋白无乙酰化修饰,MBD结合甲基化的DNA,再与SET结

13、合，甲基化组蛋白;C. 甲基化的组蛋白尾部招募DNMT，对基因长期沉默异染色质与常染色质的基因沉默A. 异染色质沉默：组蛋白去乙酰化；甲基化H3K9；招募HP1；形成异染色质B. 常染色质沉默：转录因子E2F通过Rb招募HP1-Suv29h1； Suv29h1甲基化H3K9；HP1与H3K9结合，沉默 基因的表达去甲基化酶肽酰基精氨酸脱亚胺酶 PADI4Ca2+-dependentpeptidylargininedeiminase，将unmodified arginineand mono-methylatedarginine转变成citrulline(瓜氨酸)LSD1A. mono- or d

14、imethylatedH3K4和H3K9D. 与Co-REST复合物结合时，去除H3K4的甲基化状态，沉默基因表达E. 与AR结合时，去除H3K9的甲基化状态，激活基因的表达 哈佛大学的分子生物学家施洋及其同事在2004年12月16日的细胞杂志网络版上报告：他们发现了一种组蛋白去甲基酶，命名为赖氨酸特异性去甲基酶1(LSD1)(lysine-specific demethylase 1)。这种酶能使某种组蛋白尾部的一个氨基酸-赖氨酸失去甲基。某些类型的白血病、结肠癌等疾病，被认为可能与错误的甲基化过程有关，组蛋白去甲基酶可能成为颇有潜力的药物标靶。 甲基转移酶去甲基酶使组蛋白失去甲基 Shi

15、Y J, Lan F, Matson C, et al. Histone demethylation mediated by the nuclear amine oxidase homolog LSD1. Cell, 2004, 119 (7):941953Jmjc proteinsJHDM1A: H3K36的去甲基酶, mono- & dirJHDM2: H3K9的去甲基酶, mono- & dirJHDM3/JMJD2: H3K9 or H3K36的di- & tri-me组蛋白甲基化的遗传PC: Polycomb；招募PRC2/EZH2，甲基化子染色质上的H3K27;PR-SET7: H

16、4K20特异性的转甲基酶，通过未知蛋白质，修饰子染色质上的H4K20表观遗传信息的传递！三、组蛋白的磷酸化1. 磷酸化：丝氨酸(S)/苏氨酸(T)2. 转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化3. H4S1的磷酸化：异染色质的形成4. DNA repair: H2AX(组蛋白2A变异体 )磷酸化H3的磷酸化1. H3K10和H3K28的磷酸化H3的磷酸化1. IKK磷酸化H3K10，促进NF-B的表达；2. MSK1 &MSK2: 促进c-fos & c-jun的表达H3磷酸化的功能：基因表达H4S1的磷酸化常染色质的H4S1被磷酸化之后 A. 直接形成致密的异染色质； B. 招募HP1，形成异

17、染色质； C. 促使组蛋白异构体的替换。H2AX的磷酸化1. UV使得DNA发生双链断裂；2. 激活ATM/ATR，磷酸化许多底物，包括H2AX;3. H2AX招募NuA4和Cohesin复合物；4. NuA4乙酰化DSB附近的组蛋白，招募INO80，分别进行单链的修复；5. 修复完毕，招募Tip60踢走H2AX四、组蛋白的泛素化1. 通常发生在赖氨酸(K)上；2. 可逆的生化反应： A. E1, E2 & E3 B. DUBs3. 分子效应：小蛋白质，可能改变底物的结构4. 生物学功能：H2B的泛素化A. H2B的泛素化平衡组蛋白H3K4和H3K36的甲基化水平Ubiquitination五

18、、组蛋白的SUMO化1. 通常发生在赖氨酸(K)上；2. 可逆的生化反应： A. E1, E2, & E3 B. SENPs3. 生物学功能： A. 转录沉默 B. 抑制组蛋白的乙酰化和甲基化组蛋白的SUMO化1. H2A, H2B, H3, & H4都可能被SUMO化修饰；2. 酵母中，H2A K126，H2B K6/K7, or K16/K17可能被SUMO化修饰Act招募HAT，激活转录。Act可能招募E2/E3，使组蛋白SUMO化，削弱转录。Rep招募HDAC，组蛋白去乙酰化/招募HMT，甲基化组蛋白。招募HP1，形成异染色质。六、组蛋白密码Histone code: The hist

19、one code hypothesis predictsthat the post-translational modifications of histones,alone or in combination, function to direct specificand distinct DNA-templated programs.组蛋白密码 染色体的多级折叠过程中，需要DNA同组蛋白(H3、H4、H2、H2B和H1)结合在一起。研究中，人们发现组蛋白在进化中是保守的，但它们并不是通常认为的静态结构。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为组蛋白密码(histonecode)。 所谓组蛋白密码就是对结合DNA的组蛋白进行一系列修饰,从而影响某些基因何时以及以何种方式被打开或关闭。组蛋白密码信息存在于转录后组蛋白修饰等过程中，这些修饰的多样性、整体性及生物学功能