染色质修饰

染色质修饰
常染色质：着色浅而均匀，螺旋化程度低（直径小，10 nm），转录活跃，复制较早，多位于细胞核中央。

异染色质：着色深而不均匀，螺旋化程度高（直径大，20~30 nm），无转录，复制较晚，多位于细胞核边缘，含高比例C、T碱基和高度重复DNA序列（图28~29）。

1. 染色质化学修饰的类型及其作用（Types and Its Effects of Chromatin Chemical
Modification）
1.1 染色质化学修饰的类型（Types of Chromatin Chemical Modification）
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-去乙酰化，磷酸化-去磷
酸化。

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。

1.2 组蛋白的修饰效应（Modification Effects of Histone）
同一种类组蛋白相邻修饰位点之间的协同或拮抗效应称为组蛋白修饰的顺式效应。

不
同种类组蛋白修饰位点之间的协同或拮抗效应称为组蛋白修饰的反式效应
染色质DNA的甲基化和去甲基化（Methylation and Demethylation of Chromatin DNA）
生物体内普遍存在基因组DNA的甲基化修饰。

DNA分子中的某些碱基，在甲基化酶
/DNA甲基转移酶（DNMT）的催化下，由SAM提供甲基，被甲基化修饰。

常被甲基化修饰的是胞嘧啶第5位碳原子m5C和腺嘌呤第6位氮原子（m6A）。

2.1 原核生物DNA的甲基化和去甲基化（Methylation and Demethylation of Prokaryotic DNA）主要由两类甲基化酶所催化：
⑴ dcm甲基化酶：能催化5′-C*CAGG-3′或5′-C*CTGG-3′ 序列中的*C甲基化，
有助于识别自身DNA与外源DNA，可防止被限制酶EcoRⅡ水解。

⑵ dam甲基化酶：能催化5′-G*ATC-3′序列中的*A甲基化，与DNA复制错配修复有关，可防止被PvuⅡ、BamHⅠ等限制酶水解。

2.2 真核生物DNA的甲基化和去甲基化（Methylation and Demethylation of Eukaryotic DNA）
真核生物DNA甲基化修饰是基因表达调控的重要方式之一。

真核基因组DNA的甲基化修饰序列大部分为5′-Cm5CGG-3′短序列（CpG岛），且双链对称，呈回文结构。

细胞中存在两类作用不同的甲基化酶：
⑴ 从头修饰的甲基化酶（DNMT3a,b）——参与DNA甲基化修饰位点的设定或重建；
⑵ 维护性甲基化酶（DNMT1）——促使复制完成后产生的半甲基化DNA转变为全甲基化（图57）。

DNA甲基化与细胞周期（DNA Methylation and Cell Cycle）
在G1→S期，DNA复制开始，细胞内DNMT、PCNA等大量聚集，DNMT-PCNA复合物可促进DNA甲基化修饰和基因沉默；同时，PCNA与DNA聚合酶相互作用，促进DNA复制。

2.2.3 DNA甲基化与基因表达（DNA Methylation and Gene Expression）
甲基化DNA可通过多种机制抑制基因的表达：①与阻抑蛋白（如MeCP2）相结合，抑制基因转录的起始或延伸；②抑制转录因子与DNA的结合，阻断转录起始过程；③与染色质重建复合 DNA甲基化对转录的抑制，取决于甲基化程度及其位点的分布。

CpG岛在管家基因启动子附近高度集中，但较少甲基化；在组织特异性基因的启动子附近相对较少，但处于甲基化和无活性状态。

2.3 真核生物DNA甲基化与表型遗传学（Methylation of Eukaryotic DNA and Epigenetics）“表型遗传”的概念：
⑴ 1942年，Waddington ——表型遗传学（epigenetics）：生物遗传信息产生显性性状的过程。

⑵ 1944年，Holliday ——表型遗传（epigenetic inheritance）：某些基因组遗传信息的改变，可通过细胞分裂传给子代细胞或经配子传给子代。

⑶ 目前认为，“表型遗传”是指个体表型的改变不涉及基因组DNA序列的突变和/或不遵循孟德尔遗传定律的遗传，或称为非孟德尔遗传。

这种表型遗传主要产生于染色质成分的化学修饰，导致基因的沉默或异常表达，故称为表型遗传修饰或后成修饰。

由于染色质化学修饰而导致某些基因不表达或异常表达，从而引起个体表型的改变，称为表型遗传修饰或后成修饰（epigenetic modification）。

2.3.1 表型遗传修饰与亲代印记（Epigenetic Modification and Parental Imprinting）
后成修饰也来源于亲代染色体，并具有遗传性和可逆性的特征（图62）。

子代染色体由于后成修饰，导致某些基因只转录父系或母系的基因版本，称为亲代印记（parental imprinting）或基因组印记。

目前已鉴定的亲代印记基因已超过80个。

物结合，改变染色质的结构，导致染色质压缩，阻断基因表达（图59~61）。

染色质组蛋白的甲基化和去甲基化（Methylation and Demethylation of Chromatin Histone）染色质组蛋白甲基化修饰主要发生在H3和H4的N-端尾区的赖氨酸残基（K），其次为精氨酸残基（R）（
组蛋白甲基化的作用（Effects of Histone Methylation）
3.2.1 异染色质形成和转录抑制（Heterochromatin Formation and Transcription Repression）组蛋白H3-K9、H3-K27和H4-K20位的甲基化修饰可促使异染色质形成和基
因沉默。

特别是H3-K9位，是最重要的标志位点（图70~72）。

3.2.2 转录延伸的维持（Maintenance of Transcription Elongation）
SET1集中于模板DNA的转录起始部位，催化H3-K4的三甲基化修饰，为转录起始标志。

SET2集中于转录DNA模板的编码区，催化H3-K36的二甲基化修饰，为转录延长标志。

H3-
K4、H3-K36位的甲基化修饰可阻止染色质重建复合物NuRD和阻遏因子PC及HP1的复位，使模板DNA维持转录激活状态（图73）。

.2.3 促进DNA甲基化（Driving DNA Methylation）
组蛋白H3-K9位的甲基化修饰可同时促进对DNA的甲基化修饰，协同导致基因沉默。

第四节染色质化学修饰与基因表达
Section 4 Chemical Modification of Chromatin and Gene Expression
染色质组蛋白的乙酰化和去乙酰化（Acetylation and Deacetylation of Chromatin Histone）
细胞内的染色质在乙酰化酶（HAT）的催化下，由乙酰CoA提供乙酰基，而被乙酰化
修饰。

去乙酰化酶（HDAC）催化其脱乙酰化。

核小体组蛋白八聚体中，存在32个潜在的
乙酰化位点，主要分布在H3和H4，其次为H2A和H2B。

4.1 组蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶的种类（Types of HAT and HDAC）
4.1.1 组蛋白乙酰化酶的种类（Type of HAT）
HAT可分布在细胞核（A型）或胞浆（B型）。

A型HAT复合物包括GNAT、MYST、
p300/CBP、Basal TF、Nuclear Receptor Co-factors五大家族。

因此，有些HAT同时也
是转录因子或转录共激活因子（图74~76）。

422组蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶的作用（Effects of HAT and HDAC）
在HAT的催化下，乙酰基被添加到组蛋白H3-K9、H3-K14及H4-K8的ε-氨基上。

组
蛋白被乙酰化修饰后，其核小体八聚体颗粒与DNA的亲和力降低，核小体解聚加速，DNA
链松散，转录因子和RNA聚合酶更容易与之结合，促使基因转录。

反之，组蛋白被HDAC去乙酰化后，则导致核小体聚集，异染色质形成和基因沉默
（染色质中的DNA、RNA、组蛋白和非组蛋白均涉及磷酸化-去磷酸化的修饰，许多传递信号的转录因子也需进行磷酸化修饰，因此磷酸化-去磷酸化是真核细胞中最为广泛而重要
的基因表达调控方式。

典型的例子是细胞周期的调控和生长因子信号传递途径。

5.1 组蛋白的磷酸化和去磷酸化（Phosphorylation and Dephosphorylation of Histone）
组蛋白的磷酸化修饰与细胞周期调控密切相关，如组蛋白H1在有丝分裂开始时，为
高磷酸化状态，而分裂末期则去磷酸化；组蛋白H3在细胞分裂间期为S-10位磷酸化，而
在有丝分裂期则为S-10和S-28位磷酸化（图79）。

2 转录因子的磷酸化和去磷酸化（Phosphorylation and Dephosphorylation of Transcription Factors）
许多介导细胞信号转导的转录因子、转录激活/阻遏因子、转录共激活/共阻遏因子，
通过多位点的磷酸化修饰，以调节其活性。

典型的有CREB、p53、HSF1、AP-1、STAT等等。

转录因子磷酸化/去磷酸化修饰主要影响：①转录因子的稳定性；②转录因子的核定位；③蛋白质-蛋白质相互作用；④转录因子与DNA的结合活性；⑤转录因子的降解标记。

6. 染色质的泛素化和去泛素化（Ubiquitination and Deubiquitination of Chromatin）泛素（ubiquitin）是一种小分子酸性蛋白质，富含Glu和Asp，普遍存在于真核细胞泛素化和去泛素化的作用（Effects of Ubiquitination and Deubiquitination）
蛋白质的泛素化修饰不仅与蛋白质降解有关，也影响蛋白质-蛋白质相互作用、DNA定位、转录激活/阻遏、转录因子的稳定性等。

6.2.1 组蛋白的泛素化（Ubiquitination of Histone）
组蛋白H2B-K120（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H2B-K120被泛素化修饰，则促进H3-K4甲基化修饰，有利于基因转录
起始；然后，H2B-K120被去泛素化，促进H3-K36甲基化修饰，有利于基因转录延伸
6.2.2 转录因子的泛素化（Ubiquitination of Transcription Factors）
泛素蛋白连接酶E3也参与RNA聚合酶Ⅱ转录装置及染色质重建复合物的装配和调节。

RNA聚合酶Ⅱ转录装置中的若干转录因子、转录共激活/阻遏因子的活性均可通过泛素化修饰以调节其活性。

有些无活性的转录因子前体则需经泛素化和蛋白酶体降解后才具有活性。

7. 染色质的其他修饰（Other Modification of Chromatin）
底物蛋白的ADP-核糖基化修饰由多聚ADP-核糖聚合酶（PARP）催化完成。

应激刺激
可促使组蛋白尾ADP-核糖基化修饰，使核小体松解，在短时间内产生大量转录体。

除此之外，PARP还可催化转录因子、DNA修复蛋白等的ADP-核糖基化修饰。

所有种属中，只有组蛋白H3带惟一保守的半胱氨酸残基（C110）。

组蛋白H3-C110
之间形成二硫键，可促使核小体阵列形成或染色质压缩，从而导致基因沉默。