组蛋白的修饰作用【研究知识】

1、组蛋白的修饰作用,1,行业倾力,一、组蛋白的定义： 组蛋白是染色体的结构蛋白，与DNA构成核小体。它分为H1、H2A、H2B、H3和H4等5种。,2,行业倾力,二、组蛋白的特征： 1、进化上的极端保守性： 其保守程度比较：H1H2A 、H2BH3 、H4； 2、无组织特异性： 鸟、鱼、两栖类的红细胞染色体不含H1而含H5，精细胞 染色体的组蛋白是鱼精蛋白； 3、肽链上氨基酸分布的不对称性： 碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上，而大部分疏水基团都分布在C末端； 4、 ； 5、富含Lys的组蛋白H5；,组蛋白的修饰作用,3,行业倾力,三、组蛋白修饰作用：,组蛋白富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，可以与

2、带有负电荷的DNA分子紧密结合。每个核心组蛋白由一个球形结构域和暴露在核小体表面的N端尾区组成，其 N 端氨基末端会发生多种共价修饰，主要包括甲基化、乙酰化、泛素化、磷酸化、ADP-核糖化和SUMO等。如图1所示：,4,行业倾力,图1、组蛋白的主要修饰方式,5,行业倾力,（一）组蛋白的甲基化： 定义：组蛋白甲基化是表观遗传修饰方式中的一种，参与基因转录调控，通常发生在H3和H4组蛋白N端精氨酸或者赖氨酸残基上的甲基化，由 (histonemethyltransferases，HMT)介导催化。,组蛋白甲基转移酶,6,行业倾力,甲基化转移酶简介,甲基化转移酶分为组蛋白赖氨酸甲基转移酶(HKMT)

3、、组蛋白精氨酸甲基转移酶(HRMT)2个家族；而多数蛋白甲基转移酶都包含有SET结构域，含有SET结构域的蛋白主要功能是调节基因活性，但具体机制还不甚明确。 核小体组蛋白在异染色体基因沉默中发挥关键作用，已有研究表明很多含有SET结构域的蛋白，如人Suv39H1和裂殖酵母Clr4，都具有组蛋白甲基转移酶活性，并在组蛋白甲基化导致基因沉默担当重要角色。,7,行业倾力,组蛋白的甲基化过程：,8,行业倾力,组蛋白去甲基化酶可以催化组蛋白中赖氨酸和精氨酸单、双甲基化的去甲基化，而三甲基化似乎不能被去甲基化。组蛋白去甲基化酶的发现使组蛋白甲基化过程更具动态性，也大大丰富了组蛋白修饰的复杂性。,组蛋白的去

4、甲基化过程：,9,行业倾力,组蛋白甲基化的功能： 1、组蛋白的甲基化有抑制或激活双重效应，这些效应是由组蛋白甲基化的特定模式识别及结合核小体的蛋白质共同产生的，并进一步修饰染色质或直接影响转录。 2、组蛋白的甲基化对促进DNA甲基化具有一定的作用。DNA甲基化在转录水平可影响基因表达、参与真核生物胚胎发育调节、参与基因组印记和X染色体失活及影响DNA与蛋白质的相互作用。,10,行业倾力,11,行业倾力,（二）组蛋白的乙酰化：,1964年，Vincent Allfrey 发现了组蛋白的乙酰化和乙酰化两种形式。乙酰化发生在Lys侧链的氨基基团，并证明了组蛋白的乙酰化与基因的活性有关，即非乙酰化组蛋

5、白抑制转录，而乙酰化组蛋白却是弱转录的抑制因子。这些结果说明细胞核中的某些酶可使组蛋白发生乙酰化和去乙酰化，从而影响基因的活性，但这个假说未得到证实。,12,行业倾力,直到1996年，James Brownell 和David Allis 成功的纯化和鉴定了一种组蛋白乙酰转移酶（Histone acetyltransferase HAT ），该酶是从供体乙酰辅酶A上将乙酰基团转移到核心组蛋白上。 进一步研究得出HAT的两种作用机制： 1）使组蛋白H1、H2A、H4的氨基末端乙酰化，形成-乙酰丝氨酸；通常组蛋白在细胞质内合成后输入细胞核之前发生这一修饰作用。 2）在组蛋白H2A、H2B、H3 和

6、 H4 的氨基末端区域的某些专一位置形成N6-乙酰赖氨酸。通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上。如下图1所示：,13,行业倾力,图1、组蛋白的乙酰化与去乙酰化过程,14,行业倾力,组蛋白乙酰化的生物学功能： 1）可改变蛋白质分子表面的电荷，影响核小体的结构，从而调节基因的活性。乙酰化修饰调节基因活性的典型实例是雌性哺乳动物个体的X染色体失活。 2）能导致组蛋白正电荷减少，消弱了它与DNA结合的能力，引起核小体解聚，从而使转录因子和RNA聚合酶顺利结合到DNA上。乙酰化作用还参与细胞周期的调控，而组蛋白的去乙酰化作用可使基因沉默。,15,行业倾力,16,行业倾力,（三）组蛋白的泛素化：,1）定义：组

7、蛋白的赖氨酸（k）残基位点与泛素分子的羧基端相互结合的过程。 2）蛋白质泛素化过程：,17,行业倾力,3）泛素化组蛋白的转录调控作用：,18,行业倾力,4）组蛋白泛素化的生物学功能：,泛素化的组蛋白能够募集核小体到染色体、参与X染色体的失活、影响组蛋白的甲基化和基因的转录。 例如，组蛋白H2K120（酵母中为K123）的泛素化修饰是调节组蛋白H3甲基化修饰及基因转录的开关。如果组蛋白H2K120被泛素化修饰，则促进H3K4甲基化修饰，有利于基因转录的起始；然后H2K120被去泛素化，促进H3K36甲基化修饰，有利于基因转录的延伸。,19,行业倾力,（四）组蛋白的磷酸化：,1）定义：指组蛋白的丝

8、氨酸（S）或苏氨酸（T）的残基位点在蛋白激酶作用下与带负电荷的磷酸基团共价结合的修饰过程。 2）蛋白质的磷酸化过程：,20,行业倾力,3）磷酸化组蛋白的分子效应：,A. 直接形成致密的异染色质； B. 招募HP1，形成异染色质； C. 促使组蛋白异构体的替换。,21,行业倾力,4）组蛋白磷酸化的生物学功能：,组蛋白的磷酸化在有丝分裂、细胞死亡、DNA损伤修复、DNA复制和重组过程发挥着直接的作用。组蛋白H1被细胞周期蛋白依赖的激酶磷酸化是其主要的修饰作用。组蛋白H1的磷酸化能够影响DNA二级结构的改变和染色体凝集状态的改变。另外，组蛋白H1的磷酸化需要DNA复制，并且激活DNA复制的蛋白激酶也促进组蛋白H1的磷酸化。因此，组蛋白H1的磷酸化与DNA复制存在一个协同发生的机制。,22,行业倾力,（五）组蛋白各修饰的交互作用：,组蛋白的甲基化、乙酰化、泛素化和磷酸化会同时发生在特定的核小体上。原则上说，每种特定的修饰组合能给细胞传递不同的转录抑制或激活的信息。一定的组蛋白修饰对其他邻近的修饰方式也产生影响。,例如：组蛋白H3S10的磷酸化促进H3K9与H3K14的乙酰化，抑制H3K9的甲基化。H3K14的乙酰化与H3K4的甲基化均可进一步抑制H3K9的甲基化，从而导致基因呈活化状态。同时，H3K4的甲基化还可促进H3K9的乙酰化。相反，H3K9的甲基化抑制了H3S10的磷