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        組蛋白化學修飾_醫學分子生物學

        時間:2020-02-17 百科知識
        組蛋白化學修飾_醫學分子生物學

        真核生物基因組的活性主要取決于核小體,不僅因為核小體定位在DNA鏈上,還因為核小體內組蛋白的精確化學結構是決定一段染色質包裝程度的主要決定因素。

        (一)組蛋白乙酰化的影響

        組蛋白可進行不同類型的修飾,其中研究最為深入的是組蛋白乙酰化(histone acetylation)修飾,即每個核心組蛋白N端的賴氨酸連上乙酰基因(圖2-11)。

        這些經過修飾的N末端從核小體核心八聚體(圖2-12)伸出突出的尾,它們的乙酰化使組蛋白對DNA的親和力降低,同時使30nm染色質纖絲變得不穩定,降低了核小體之間的相互作用。異染色質中的組蛋白一般不被乙酰化,而功能域中的組蛋白常被乙酰化,這些清楚地表明這種類型的修飾與DNA包裝相關。

        圖2-11 四個核心組蛋白N端區域上結合乙酰基(Ac)的位置(每個序列開始于N端的氨基酸)

        圖2-12 核小體核心八聚體的兩種觀察結果

        左邊的視圖是從桶狀八聚體的頂部往下看,右邊的視圖是從側面看。八聚體包含中間兩個組蛋白H3和兩個組蛋白H4亞基組成四聚體,它們上、下方為一對H2A和H2B。注意從核心八聚體伸出的組蛋白N端尾部

        組蛋白乙酰化與基因組表達的相關性于1996年被發現,當時經過幾年的努力,人們終于首次分離出了催化組蛋白添加乙酰基的酶,即組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferases,HATs)。當時已經知道對基因表達有重要影響的一些蛋白質具有HAT活性。例如,首先被發現的HATs之一,即被稱為p55的四膜蟲蛋白,與酵母蛋白GCN5具有同源性,而GCN5已知可以激活轉錄起始復合物的裝配。類似的,哺乳動物中一種叫做p300/CBP的蛋白在多個基因的激活中都有作用,它是一種組蛋白乙酰轉移酶。這些現象以及不同類型的細胞具有不同的組蛋白乙酰化方式都表明,組蛋白乙酰化在基因組表達調控中起著重要作用。

        單獨的HATs可以在試管中乙酰化組蛋白,但在完整的核小體中不具備活性,這表明在核中HATs幾乎不能獨立工作,而是形成多蛋白復合物。例如,酵母SAGA和ADA復合物,人類TFTC復合物。這些復合物是典型的大分子多蛋白質結構,在基因組表達中催化和調節多個步驟。比如說SAGA,包含了至少15個蛋白質,總分子量約180萬,大小約18nm× 28nm,而核小體八聚體加上DNA僅11nm×13nm,也就是說它比核小體還要大,和30nm染色質纖絲相當了。SAGA復合物包括一系列與TATA結合蛋白(TBP)相關的蛋白,像具有HAT活性的GCN5,在起始基因表達過程中起作用,5個TBP相關因子輔助TBP行使其功能。SAGA和其他HAT復合物都非常復雜,在這些復合物中很多蛋白在基因表達起始過程中發揮著各自的作用,說明在基因活化的整個過程中,各個單獨的事件都是緊密連接的,組蛋白乙酰化是一個完整的部分,卻也只是整個過程的部分。

        HAT蛋白至少有5個不同的家族。GCN5相關的乙酰化酶,或者GCNTs,都是SAGA,ADA和TFTC的組成成分,它們都和基因轉錄活化相關,同時也參與損傷DNA的修復,尤其是紫外照射引起的雙鏈缺損的修復。另外一類HAT,稱之為MYST,得名于其同家族的4個蛋白首字母,它們同樣參與了轉錄激活和DNA修復,也被揭示參與細胞周期的調控,只不過這可能反映DNA修復功能的另一方面,因為基因組廣泛受損的時候,細胞周期會停滯。不同的復合物乙酰化不同組蛋白,并且一些復合體可以乙酰化與基因表達相關的其他蛋白,例如通用轉錄因子TFⅡE和TFⅡF。因此,HATs蛋白功能多樣,參與了基因組的表達、復制和維持。

        (二)組蛋白去乙酰化的抑制作用(www.toyotajt.cn)

        基因活化應該是可逆的,否則被活化的基因將始終保持激活狀態。因此,存在一套能去除組蛋白末端的乙酰基團的酶也就不奇怪了,由此來逆轉上述的HATs的轉錄激活效應。這是組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases)(HDACs)的功能。HDAC活性和基因沉默之間的聯系建立于1996年,此間第一個被發現的哺乳動物HDAC與酵母轉錄抑制因子Rpd3蛋白存在相關性。正如乙酰化與基因活化的關系一樣,去乙酰化與基因沉默也同樣存在相關性。人們早先認為這兩類蛋白具有不同活性,原來實際上是相關的。這些是在基因和蛋白質功能研究中體現出同源分析價值的優秀范例。

        像HATs一樣,HDACs被包含在多蛋白復合體中。哺乳動物Sin3復合體是一種至少7種蛋白質組成的復合體,包括HDAC1和HDAC2及其他無去乙酰化活性但對此過程提供了必要輔助功能的蛋白質。輔助蛋白質如Sin3復合體成員RbAp46和RbAp48,它們被認為有助于結合組蛋白。對RbAp46和RbAp48最初的認識來自于其與視網膜母細胞瘤蛋白的結合。視網膜母細胞瘤蛋白通過抑制多種不同基因的表達調控細胞增殖,直到需要這些基因的活性時才解除抑制,而在突變時則導致癌癥。Sin3和這個與癌癥相關蛋白之間的聯系強有力地證明了基因沉默中去乙酰化反應的重要性。在哺乳動物中其他去乙酰化復合體包括NuRD,通過一系列的輔助蛋白質與HDAC1和HDAC2結合;而酵母Sir2與其他HDACs不同,因為它需要能量。Sir2的特性表明HDACs實際上比以前認識到的更為多樣化,可能組蛋白去乙酰化酶還有其他新功能有待發掘。

        對HDAC復合體的研究開始揭示了基因組活化與沉默不同機制之間的聯系。Sin3與 NuRD復合體中都含有甲基化DNA結合蛋白,并且NuRD包含與核小體重塑復合物Swi/Snf組分非常相似的蛋白質。NuRD實際上被認為是經典的體外核小體重塑器。進一步的研究必將揭示不同類型的染色體修飾系統之間的其他聯系,但實際上這些系統可能僅是一個單一的宏大體系的不同部分。

        (三)組蛋白其他修飾方式

        賴氨酸的乙酰化和去乙酰化是研究最為深入的組蛋白修飾方式,但絕不是唯一的類型。已知還有其他三類的共價修飾方式:①組蛋白H3、H4的N端賴氨酸和精氨酸殘基的甲基化。原來認為甲基化都是不可逆的,因此會造成染色質結構的永久性改變。隨著賴氨酸和精氨酸去甲基化酶的發現,這種觀點受到了挑戰,但總的來說,甲基化修飾還是相對長期的。②H2A、H2B、H3、H4的N端的絲氨酸磷酸化。③H2A和H2B的C末端賴氨酸的泛素化,就是將常見的叫做泛素的小分子或稱為SUMO的蛋白加到賴氨酸上。

        像乙酰化一樣,這些修飾方式也可以影響染色質結構并對細胞活性具有重要影響。例如,組蛋白H3及組蛋白H1的磷酸化也與中期染色體的形成相關,并且組蛋白H2B的泛素化是泛素調控細胞周期功能的部分體現。組蛋白H3的N末端第4與第9位賴氨酸殘基的甲基化效應尤其有趣。第9位賴氨酸的甲基化形成一個HP1蛋白的結合位點,而HP1蛋白可引發染色質包裝并使基因表達沉默,但在第4位賴氨酸加上兩個或三個甲基之后,其效應卻是相反的,它可促進形成開放的染色質結構,促進基因活化。在β珠蛋白功能域及其他可能位置,第4位賴氨酸的甲基化排斥NuRD去乙酰化酶,使其不能與組蛋白H3結合,確保組蛋白保持乙酰化狀態。因此第4位賴氨酸甲基化和組蛋白乙酰化這兩種修飾類型可能協同作用活化染色質區域。

        總的來說,4個核心組蛋白N端和C端共有29個位點可以被共價修飾(圖2-13)。目前我們對不同組蛋白修飾及不同修飾類型共同作用途徑的認識在增長,這提示我們存在一個組蛋白密碼(histone code),即通過它們化學修飾的形式來確定特定的基因組區域在特定時間被表達,還決定了基因組生物學的其他方面,如損傷位點的修復、基因組復制和細胞周期的協調等。盡管這個概念還有待證實,但很明確的是,基因組內的特異組蛋白修飾的形式與基因活性是緊密相關的。比如,對人第21、22號染色體的研究發現,在這些染色體上發生H3第4位賴氨酸三甲基化以及第9、第14位賴氨酸乙酰化的區域正好對應著活化基因的轉錄起始位點(圖2-14)。至于研究染色質修飾的各方面,一個關鍵的問題是要分清因果關系:組蛋白修飾的形式決定了特定基因的活化,或者僅僅是基因活化的副產物。

        圖2-13 哺乳動物組蛋白H3、H4的N端修飾

        Ac為乙酰化;Me為甲基化;P為磷酸化

        如圖2-14顯示的是人第21、22號染色體的片段,每段100kb。肺成纖維細胞中,相對已知基因的富含第4位賴氨酸雙甲基化、三甲基化和第9、14位賴氨酸乙酰化的區域被標識。圖中箭頭指示了基因轉錄的方向。

        圖2-14 組蛋白修飾的形式與基因活性的關系

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