组蛋白修饰与基因调控

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(2002-07-21 收稿)
组蛋白修饰与基因调控
周 蔚综述 王世鑫审阅
中国人民武装警察部队医学院军事医学教研室(天津, 300162)
摘要 基因表达是一个受多因素调控的复杂过程。组蛋白是染色体基本结构—核小体中的重要组成部分,其
N-末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等多种共价修饰作用。组蛋白的修饰
可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性,从而改变染色质的疏松或凝集状态,或通过影响其它转录因子与结构基
因启动子的亲和性来发挥基因调控作用。组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用。
关键词 组蛋白;共价修饰;基因表达调控;
2001年2月,人类基因组测序工作全部完成,
这标志着人类对自身的了解向前迈了一大步。随着
对人类基因序列和多种生物基因序列的掌握,基因
调控即遗传信息是如何精密调控和准确表达的成为
新的研究热点。利用现有的基因数据库和不断发展
的光学仪器,科研工作者能快速鉴别出修饰染色质
结构和调控转录过程的各种蛋白。许多与组蛋白修
饰有关的转录共激活因子(co-activator)和共阻遏
蛋白(co-repressor)相继被发现,这些发现将染色质
结构摆到了基因调控研究的中心,越来越多的研究
结果显示,染色质在基因调控中发挥着重要作用。
核小体是染色质的基本结构单位。长久以来人
们都认为核小体只是一种将遗传信息进行高密压缩
从而形成染色体结构的形式。最近人们发现其功能
不局限于此,核小体在基因遗传的几乎各个方面都
发挥着重要的决定性作用。核小体是由核心组蛋白
八聚体(2个拷贝的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。常见的组蛋白尾部
修饰方式有:乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚
ADP糖基化等。乙酰化和磷酸化是可逆性修饰,由
于目前尚未发现去甲基化的酶,故认为甲基化是不
可逆修饰。图1[1]显示的是组蛋白H3和H4的N-端
尾部氨基酸排列顺序、常见的修饰位点及这些位点
相应的修饰方式、修饰间相互影响。
图1 组蛋白H3和H4的常见修饰方式及位点
1 乙酰化与基因调控
乙酰化是最早被发现的与转录有关的组蛋白修
饰方式。乙酰化由组蛋白乙

酰基转移酶(HAT)催
化,去乙酰化由组蛋白去乙酰基酶(HDAC)催化。由
于体内存在组蛋白乙酰化和去乙酰化的平衡关系,
所以组蛋白乙酰化发生频率很低。乙酰化主要发生
在组蛋白H3和H4的N-端尾部比较保守的赖氨酸
(Lys)残基上。利用特殊的HAT可将特异位点的
Lys残基乙酰化[2]。组蛋白乙酰化和染色质构型重
·71· 国外医学分子生物学分册2003年第25卷第2期建都能作用于相同的启动子来参与基因调控,因此
两者在功能上相互联系。但是,究竟是染色质构型改
变发生在组蛋白乙酰化之前,还是组蛋白乙酰化发
生在染色质变构之前,不能一概而论。在酿酒酵母
(S.cerevisiae),DNA转录发生在染色质高度凝集
的有丝分裂期,此时组蛋白要乙酰化则染色质构型
必须先改变。而对细胞周期高度可诱导的非依赖基
因而言,如哺乳动物β-干扰素和激素受体依赖基因,
组蛋白乙酰化就先于染色质构型重建。
乙酰化对基因调控的影响据推测可能是由于:
组蛋白尾部Lys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DNA链的亲和
性,促使参与转录调控的各种蛋白因子与DNA结
合,进而发挥转录调控作用。利用染色质免疫沉淀法
(CHIP)技术发现,启动子附近的组蛋白H3、H4的
乙酰化水平升高可影响多种生物的可诱导基因的转
录起始[3,4]。在多种生物中,沉默交配型基因座
(HML和HMR)乙酰化,将使两种交配型都表达,
从而使单倍体细胞获得许多非交配型双倍体的特
性。
Turner[5]认为组蛋白H4尾部Lys5和Lys12去
乙酰化将促进染色质的组装,原因可能是新组装形
成的染色质倾向于采取“封闭式”构像,转录因子和
染色质修饰酶可对其构像加以修饰从而使其不“封
闭”。H4 Lys去乙酰化能短时间的保持染色质非封
闭状态,为转录因子和染色质修饰酶结合及发挥作
用提供时间差。显微镜分析亦证实,新组装形成的染
色质中的H4在被HDAC去乙酰基前维持几分钟
的双乙酰化,可为上述过程提供时间。Lys残基低乙
酰化与异染色质形成及基因沉默(gene silencing)有
关[6]。Sir2在体外实验中能有效地使组蛋白去乙酰
化,其酶活性是维持异染色质结构域基因沉默所必
须的[7]。Sir2-Sir4复合物结合在染色质上,使组蛋
白去乙酰化,Sir2完成去乙酰化后离开Sir4,而后
Sir3与Sir4结合形成Sir3-Sir4复合物,此复合物
能阻止去乙酰化部位再度乙酰化,并与H3和H4尾
部氨基酸结合,从而维持基因沉默[1]。
早期对染色质及其特征性组分进行归类划分时
就有人总结出:异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化
(hypoacetylation),常染色质结构域组蛋白呈高乙
酰化(hyperacetylation)。上述研究结果更证实这一
点。最近有研究发

现某些HAT复合物含有一些常
见的转录因子,某些HDAC复合物含有已被证实的
阻遏蛋白,这些发现更加支持高乙酰化与激活基因
表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。
2 甲基化与基因调控
组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶
(HMT)催化的。甲基化的作用位点在Lys、精氨酸
(Arg)的侧链N原子上。组蛋白H3的第4、9、27和
36位及H4的第20位Lys,H3的第2、17、26位及
H4的第3位Arg都是甲基化的常见位点。对组蛋
白甲基化与基因表达调控的研究主要集中在H3的
Lys4和Lys9上。
Suv39蛋白是第一个被发现的HMT。人的
SUV39H1,鼠的Suv39h1,S.pombe的Clr4都属
Suv39家族,能特异性地甲基化H3的Lys9。破坏鼠
的Suv39h1会导致基因不稳定,染色体错误分离,
雄性减数分裂缺陷[8]。异染色质蛋白1(HP1)是异染
色质的特征性蛋白,它有两个高度保守域:CD
( chromo domain )和CSD ( chromo shadow
domain)[9]。HP1的CD能特异性的识别结合被
Suv39甲基化的组蛋白H3的Lys9,有大量实验证
明这种识别与相互作用是维持异染色质基因沉默必
不可少的[10]。CSD则参与HP1与Suv39及其它蛋
白间的相互作用。Suv39-HP1复合物在常染色体基
因座起转录抑制作用。以哺乳动物为例:视网膜神经
胶质瘤蛋白(Rb)是一种共阻遏蛋白,它促使HDAC
将乙酰化的Lys9去乙酰化,Suv39H1-HP1复合物
结合到去乙酰化的Lys9上使其甲基化,然后HP1
通过增强Rb相关的抑制功能,从而发挥转录抑制
作用[11]。在对小鸡红细胞系的β-珠蛋白基因座与组
蛋白甲基化相关性研究中发现,位于叶酸盐受体和
珠蛋白基因间约16 kb长的凝集的染色质区近20%
的H3 Lys9甲基化,高水平的H3 Lys9甲基化能使
甲基化和凝集状态扩散[12]。
组蛋白H3的Lys4甲基化与转录的活化状态
有关。通过对酵母分裂期的沉默交配型基因座研究
发现,在沉默的异染色质有约20 kb长的基因片段
中只有H3的Lys9甲基化,而Lys4无甲基化。相反,
在周围转录活跃区域,组蛋白只在Lys4甲基化,而
Lys9无甲基化。Boggs[13]通过CHIP发现,H3的
Lys9甲基化与X染色体中无活性的基因的启动子
有关,而Lys4甲基化与X染色体中有活性的基因
的启动子有关。组蛋白H4的Lys20离H4的第一个
α-螺旋非常近,它在细胞周期的后期甲基化。H4的
Lys20甲基化能否促进HP1的结合并不完全肯定,
但存在这种可能。Arg甲基化是一种与转录活化状
态有关的组蛋白修饰方式[14]。最近研究发现
CARM1,一种共激活因子,是一个敏感的“分子开
·72· 国外医学分子生物学分册2003年第25卷第2期关”的核心,这个“开关”调控受核受体控制的基因或
CREB转录因子调节的基因的表达。CARM1能甲
基化组蛋白H3的Arg17。利用一种能特异性识别甲
基化的Arg17的

抗体进行CHIP分析,结果发现只有
在受核受体控制的基因启动子处于活化状态时,这
种识别才会发生。
3 磷酸化、泛素化与基因调控
染色体凝集和转录起始都要发生染色质的形态
结构变化,而组蛋白H3的第10位丝氨酸(Ser)的
磷酸化对转录起始和有丝分裂期染色体凝集时形态
结构改变都有重要作用。早期的研究显示组蛋白磷
酸化对哺乳动物细胞早期基因有转录诱导作用。如
C-fos基因Rsk/Msk族激酶可直接催化产生磷酸
化[15]。H3 Ser10磷酸化对有丝分裂的启动非常重要,
这种修饰发生在G2期初始阶段,使染色质凝集。果
蝇热休克基因调节伴随有H3 Ser10的大量磷酸
化[16]。在四膜虫细胞,CyP1基因的表达受组蛋白
H1的磷酸化修饰,磷酸化能减少H1分子‘charge
patch’区所带的总电子数,即使H1第35~54位残
基的净电荷数减少,此区间含5个磷酸化位点,当此
区间的总电子数与完全磷酸化的H1所携带的总电
子数相等时,CyP1的表达被抑制[17]。
泛素化是一种重要的组蛋白修饰形式。在S.
cerevisiaeH2B的C末端的Lys123是Rad6泛素化连
接酶的作用底物,虽然还不清楚其在转录中是否发
挥作用,但这种修饰对减数分裂和有丝分裂都很重
要。TBP-相关复合物TafⅡ250被证明能泛素化修
饰H1[18],这也可能和转录有关。
4 修饰间相互作用与基因调控
上述各种组蛋白修饰方式都与相应的基因活化
或抑制状态相联系。这些修饰方式及其作用的发挥
并不是相互独立的,很多时候它们通过协同或拮抗
来共同发挥作用。从图1可见组蛋白H3的Lys9既
可被乙酰化又可被甲基化,说明两者间存在竞争性
修饰,究竟采取何种修饰视具体情况而异。H3 Ser10
未被磷酸化时HAT活性增强,Lys9乙酰化水平增
高,并可产生一种不同的转录信号。Litt[12]认为H3
的乙酰化和Lys9的甲基化间存在负相关,特别是利
用CHIP和PCR对叶酸盐受体和珠蛋白间染色质
区观察时发现,此区H3几乎没有乙酰化,但Lys9
甲基化水平很高;在此区域两侧,乙酰化水平达峰值
而检测不到甲基化的Lys9。相反,H3乙酰化与Lys4
甲基化间存在正相关,乙酰化和Lys4甲基化峰值
和低谷在同一区域或基因座发生。通过对Lys9和
Lys4甲基化比较我们很容易看出,两者存在拮抗作
用。
5 “histone code”假说
“histone code”假说由Strahl和Allis[19]提出
的,现已被大部分科学家认同。“histone code”假说
建立的思想依据为:①染色质的结构变化对基因表
达有重要的调节作用,②组蛋白介导多种信号通路。
即通过对组蛋白N-端尾部的共价修饰,能使与之相
接触的DNA结构改变,从而使染色质的结构改变;
组蛋白尾部的不同修饰可影响与染色质结合的蛋白
因子的亲和性,影响识别

特异DNA序列的转录因
子与之相结合的能力。催化组蛋白修饰的酶对催化
位点的识别具有特异性,因此可将其所携带的信息
传递给DNA密码;从而对基因表达产生一种类似
DNA密码的影响。
综上所述,特定的组蛋白修饰与特定的基因激
活或抑制状态相联系,组蛋白修饰在基因调控中发
挥了重要作用。但是目前的研究主要集中在H3和
H4,对于H2A、H2B以及H1的修饰及其与基因调
控的关系知之甚少。这些都将是今后的研究方向。
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(2002-07-01 收稿)
·73· 国外医学分子生物学分册2003年第25卷第2期