组蛋白修饰.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 三 章 组 蛋 白 修 饰,DNA Packing,1.,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,-3,m,3,3.,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、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,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,Acetyl,Methyl,Phosphoryl,Ubiquitin,Epigenetic differences：monozygotic twins,5mC 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 receptorinteracting,box;,CH,cysteine/histidinerich,module;,KIX,phospho-CREB,interacting module;,Q,glutamine-rich,domain.,Gcn5/PCAF,p300/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,H3K9,D.H3S10,被,RSK-2,磷酸化，促使,GCN5,修饰,H3K14,E.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 repair,1.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,HDACs,1.Class 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,：,HDAC11,Classical HDACs,HDAC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 Inhibitor,1.,主要针对,Classical,HDACs,；,2.,激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,310,11,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-methylation,2.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trimethylation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,HKMTs,A.,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 domain,HKMTs,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,Set1,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,dimethylarginines(aDMA),Type-II enzymes(PRMT5 and PRMT7):-NG,NG,-symmetric dimethylarginines(sDMA),PRMTs调控基因转录,CARM1/PRMT4(,coactivator,-associated,arginine,methyltransferase,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；,S,uv29h1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,PADI4,Ca,2+,-dependent,peptidylarginine,deiminase,，将,unmodified,arginine,and mono-,methylated,arginine,转变成,citrulline瓜氨酸,),LSD1,A.mono-or,dimethylated,H3K4,和,H3K9,D.,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 Y J,Lan F,Matson C,et al.,Histone,demethylation,mediated by the nuclear amine,oxidase,homolog LSD1.Cell,2004,119(7):941,953,Jmjc proteins,JHDM1A:H3K36,的去甲基酶,mono-&dir,JHDM2:H3K9,的去甲基酶,mono-&dir,JHDM3/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:H4K20,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.DUBs,3.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、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.SENPs,3.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,histone,code hypothesis predicts,that the post-translational modifications of,histones,alone or in combination,function to direct specific,and 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的多样性表明存在这样一种组蛋白密码。,组蛋白修饰作为一种重要的表观标志，与其他表观标志之间也存在一定的联系，构成了一个复杂的网络。组蛋白密码大大丰富了传统遗传密码的信息含量。组蛋白氨基末端的多样化修饰扩充了遗传密码的信息库。,这种常见的组蛋白外在修饰作用包括,乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、,ADP,核糖基化、羰基化,等等，它们都是,组蛋白密码的基本元素,。,与,DNA,密码不同的是，组蛋白密码在动物、植物和真菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发育成整个植株的全能性和去分化的特性中，就可以看出它们在建立和保持表观遗传信息方面与动物是不同的。,2026年1月14日,69,2026年1月14日,69,Bryan M.Turner,nature cell biology,2007,组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（,histone,code,），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。,2026年1月14日,70,组蛋白修饰种类,乙酰化,-,一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在,H3,、,H4,的,Lys,残基上。,甲基化,-,发生在,H3,、,H4,的,Lys,和,Arg,残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。,磷酸化,-,发生与,Ser,残基，一般与基因活化相关。,泛素化,-,一般是,C,端,Lys,修饰，启动基因表达。,SUMO,（一种类泛素蛋白）化,-,可稳定异染色质。,其他修饰,2026年1月14日,72,2026年1月14日,72,