表观遗传学修饰—组蛋白修饰

表观遗传学修饰—组蛋白修饰（1.生物工程学院，天津300457；）摘要：表观遗传学对于生物性状的传递有重要的意义，而组蛋白修饰对于基因的转录、表达有极其重要的影响，比如甲基化、乙酰化、磷酸化等，这些组蛋白的修饰都对基因的表达有着不同的调控机制，本文间介了组蛋白修饰的几种类型及其机制，以及组蛋白修饰与肿瘤的关系。

关键词：表观遗传学；组蛋白修饰；甲基化；中图分类号：文献标志码：文章编号：1672-6510（0000）00-0000-00表换遗传学又称“拟遗传学”、“表遗传学”、“外遗传学”以及“后遗传学”，研究在没有细胞核DNA 序列改变的情况时，基因功能的可逆的、可遗传的改变。

这些改变包括DNA的修饰(如甲基化修饰)、组蛋白的各种修饰等。

也指生物发育过程中包含的程序的研究。

在这两种情况下，研究的对象都包括在DNA序列中未包含的基因调控信息如何传递到下一代这个问题。

组蛋白的翻译后修饰不仅与染色体的重塑和功能紧密相关，而且在决定细胞命运、细胞生长以及致癌作用的过程中发挥着重要的作用[1]，如组蛋白磷酸化就在有丝分裂、细胞死亡、DNA损伤修复、DNA复制和重组过程中发挥着直接的作用[2]。

组蛋白的修饰主要包括：甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP-核糖基化等。

1组蛋白的修饰结构基础真核生物约146bp的DNA缠绕核心组蛋白八聚体（各两分子的H2A, H2B, H3, H4）构成了染色体的基本单位核小体，核小体再通过DNA 和组蛋白H1连接构成染色质纤维。

组蛋白不仅在染色体组装方面有着重要的作用，而且组蛋白的翻译后修饰在调控基因动态表达方面也有着重要的作用。

组蛋白翻译后修饰多发生在组蛋白的N-端尾部，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、ADP-核糖基化、泛素化和小分子泛素化修饰[3]，这些修饰有助于其他蛋白质与DNA的结合，从而产生协同或者拮抗作用来调控基因转录。

例如，乙酰化使组蛋白尾部正电荷减少，从而削弱了与带负电荷DNA骨架的作用，而促进染色质呈开放状态[4],甲基化激活或抑制基因功能主要依赖于修饰的位点，主要与赖氨酸残基的单甲基化、双甲基化或三甲基化有关[5]。

组蛋白修饰最基本的作用是调控基因表达。

例如组蛋白甲基化多导致基因沉默，去甲基化则相反；乙酰化一般是转录激活，去乙酰化则相反。

当然，也可在此基础上产生复杂的生物学效应。

例如组蛋白去乙酰化酶HDAC可影响免疫系统；H3K4me3、H3K9me2能够调控记忆的形成[11],而且H3K甲基化与X染色体失活、基因组印记和异染色质形成有关；H3乙酰化通过多种机制调控以来ATP的染色质重塑[12]，并参与炎症反应；H2A、H2B泛素化则与DNA损害反应有关；而H3S28磷酸化与H3K27乙酰化可激活转录并拮抗聚梳基因polycomb沉默[13]，另外磷酸化不仅是某些信号转导通路的重要中间步骤，而且常与其他类型的修饰相互作用，共同参与细胞分裂、影响细胞周期[14]，所以组蛋白磷酸化渐渐受到研究者的重视。

2磷酸化与去磷酸化组蛋白磷酸化在有丝分裂、细胞死亡、DNA 损伤修复、DNA复制和重组过程中发挥着直接的作用。

例如，组蛋白H3N端的磷酸化可能促进染色质在有丝分裂期间的凝集。

在哺乳动物中，aurora B是有丝分裂时H3S10磷酸化的激酶，但是在存在aurora B对H3S10的磷酸化是不够的。

牛痘苗相关激酶1是哺乳动物NHK1的同系物，它能在体内和体外直接使组蛋白H3T3和H3S10磷酸化，而失去VPK1的活性，组蛋白H3的磷酸化也将减少。

组蛋白H1被细胞周期蛋白依赖的磷酸化是其翻译后主要的修饰作用。

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。

另一方面，组蛋白H1的磷酸化需要DNA的复制，并且激活DNA复制的蛋白激酶也促进组蛋白H1的磷酸化。

组蛋白H4 N端的磷酸化可能促进染色质在有丝分裂期间的凝集。

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[6]。

此外，组蛋白H1的磷酸化需要DNA的复制[7]，并且激活DNA复制的蛋白激酶也促进组蛋白H1的磷酸化[8]。

因此，二者存在一个协同发生的机制。

2008年Jha等[9]研究显示，果蝇Tip60复合体重塑对于磷酸化的H2AX去磷酸化是重要的。

如图1所示，DNA损伤导致组蛋白辩题H2AX的Ser139被ATM和ATR蛋白激酶磷酸化。

在Rvb1和PP2A的作用下，PP2A直接移除磷酸化的H2AX磷酸集团。

但是Rcb1发挥作用时需要Tip60又有维持Tip60/NuA4组蛋白乙酰化酶活性的作用，故他们具有协同效应。

3乙酰化与去乙酰化组蛋白的乙酰化与去乙酰化分别由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和去乙酰化转移酶（HDAC）催化。

这种乙酰化反应在真核生物的表达调控中起着重要作用，这两种酶通过对核心组蛋白进行可逆修饰来调节核心组蛋白的乙酰化水平，从而调控转录的起始与延伸，一般来说，组蛋白乙酰化促进转录，去乙酰化抑制转录。

比如DNA结合RAP1蛋白，然后募集去乙酰化酶如Sir4、Sir3和Sir2, Sir2使临近的H4K16去乙酰化，导致异染色质的形成，介导基因沉默，而乙酰化酶Sas2则激活H4K16的乙酰化使形成的异染色质复原，促进基因转录。

4甲基化与去甲基化组蛋白甲基化是指在组蛋白甲基转移酶催化下组蛋白H3和H4的N端赖氨酸或者精氨酸残基发生的甲基化，组蛋白赖氨酸甲基化由不同的特异性组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化。

SUV39蛋白是第一个被发现的组蛋白甲基转移酶，能特异性地使组蛋白H3K9甲基化。

根据每一位点甲基化程度的不同，赖氨酸残基能分别被单甲基化、双甲基化和三甲基化。

5泛素化与去泛素化组蛋白的泛素化修饰就是蛋白质的赖氨酸残基位点与泛素分子的羧基端相互结合的过程。

泛素化调节途径共有三类酶催化[9]，分别是，泛素激活酶，泛素结合酶，泛素—蛋白质连接酶。

组蛋白泛素化也是可逆转的调控，组蛋白泛素化的动态平衡过程由两个因素决定：细胞内可以利用的游离泛素、组蛋白泛素化或去泛素化酶的活性。

6 不同组蛋白或不同残基之间修饰之间的调节如图2所示，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，从而导致基因成活化状态。

同时，H3K4的甲图2 组蛋白H2AX的磷酸化和H4乙酰化之间的调节基化还可促进H3K9的乙酰化。

相反，H3K9的甲基化抑制了H3S10的磷酸化，并且抑制H3K9、H3K14的乙酰化，从而导致基因沉默。

组蛋白的磷酸化调节HAT和HDAC催化的乙酰化和去乙酰化反应[15]。

例如，CREB结合蛋白（CBP）的HAT活性可悲cyclin E/CDK2磷酸化激活。

DNA损伤反应也包括磷酸化引起HAT酶活性的变化。

例如，活性转录因子2（ATF2）是一种有HAT活性的序列特异转录因子，紫外线照射可使其磷酸化，增加其HAT活性与促转录活性。

如图3所示，组蛋白的乙酰化对组蛋白的磷酸化修饰也有促进作用。

而蛋白激酶分析表明，野生型的IKK-α能够增强组蛋白H3S10的磷酸化，并随即增强HAT CBP介导的H3K14乙酰化反应[16]。

MSK 1/2使H3S10磷酸化，这将增加H3S10与Gcn5相结合的亲和力，Gcn5的乙酰化酶活性导致H3K14的乙酰化，而激活基因转录。

并且，H3K14D 乙酰化又促进MSK 1/2S是H3S10磷酸化。

Yamamoto等[16]关于组蛋白磷酸化的研究指出，IKK-α与CBP反应，与RelA结合后被招募至NF-B 的启动子区，并介导细胞因子诱导的组蛋白磷酸化和随即发生的特异性残基的乙酰化。

Cheung等[17]用表皮生长因子（EGF）刺激小鼠的C3H10 T 1/2细胞导致了组蛋白H3快速有序的磷酸化和乙酰化的协同发生。

同年，组蛋白H3S10的磷酸化和H3K14乙酰化功能性的欧联也得到证实。

另外，组蛋白H3S10的磷酸化可能还与H3S28的磷酸化同时发生。

这对于有丝分裂和建树分裂时期染色体的正确解聚和凝集是非常必须的。

在促有丝分裂的刺激后，早起基因的诱导表达时，组蛋白乙酰化与磷酸化也具有协同作用。

H4K16的乙酰化，可能与H3S10的磷酸化共同作用导致男性X染色体上转录的增强[18]。

此外，Sun等[19]的研究表明，在酵母中泛素结合酶Rad6通过对组蛋白H2BK123泛素化这一单向调控途径来介导H3K4甲基化，但是组蛋白H2BK123的泛素化并不需要H3K4的甲基化。

Set1介导的H3K4甲基化需要Rad6催化H2B的123位赖氨酸的泛素化。

然而，Ser1基因的剔除并不会影响H2B K123泛素化，这提示二者之间存在一个调控途径：H2B 的泛素化在H3K4甲基化的上游。

Ng等报道H2B K123和H3K79在核小体内的空间位置非常接近，H2B K123的泛素化对H3K79的甲基化十分重要，在人类和酵母中，H2B泛素化能分别增强H3K79的二甲基化和三甲基化。

McGinty 等使用化学方法是H2B泛素化，直接刺激了hDot1L图3 组蛋白磷酸化与乙酰化的协同模型图2 组蛋白H3氨基酸残基的修饰调节介导的H3K79甲基化，但反过来H3K79的甲基化对H2B K123的泛素化却没有影响，如图4所示。

7组蛋白修饰与肿瘤核小体是由核心组蛋白八聚体(2个拷贝H2A, H2B, H3, H4)及缠绕其外周长度为146碱基对的DNA组成。

核心组蛋白的N-端尾部暴露在核小体的表面并可发生共价修饰，从而对基因表达发挥调控作用。

因为不同组蛋白(组蛋白H3和H4)的不同氨基酸(H3末端有7个Lys和2个Ser; H4末端有5个Lys和1个Ser)可以发生不同类型的修饰，包括乙酞化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、多聚ADP一核糖基化、欺基化、赖氨酸残基(Lys)的生物素化等，它们都是组蛋白密码的基木元素。

在组蛋白的修饰中，研究最多的是乙酞化;乙酞化、磷酸化、ADP核糖基化是可逆性修饰，而人们一直都认为甲基化作用是一种不可逆的过程。

但klose等报道。

有一种酶会对组蛋白中赖氨酸和精氨酸甲基化作用进行去除。

这重新定义了组蛋白甲基化的木质，同时也使组蛋白修饰通路更加复杂化。

乙酰化修饰大多在组蛋白H3 lys的9、14、18、23和组蛋白H3 lys的5、8、12、16等位点，是可逆的动态过程。

其与基因活化以及DNA复制有关，而组蛋白的去乙酰化和基因的失活有关。

乙酰化作用是通过组蛋白乙酰基转移酶实现的，HA T将乙酰CoA乙酰基部分转移到核心组蛋白氨基末端上特定Lys残基的氨基集团，使核小体的结构变得松弛，促进了转录因子和协同转录因子与DNA分子的接触，因此激活特定基因的转录过程。