组蛋白修饰与基因调控研究进展

第29卷第1期 河 南 林 业 科 技 Vol. 29 No. 1 2 0 0 9年3月 Journal of Henan Forestry Science and Technology Mar. 2 0 0 9

收稿日期：2009-02-10

基金项目：国家自然科学基金（30271082，30571496），河南省杰出青年基金（0612001900）资助项目。 作者简介：阚盛（1983-），男，河南信阳人，在读硕士，从事林木生物技术方面研究。

组蛋白修饰与基因调控研究进展

阚 盛1

，翟晓巧

1，2

（1.河南农业大学，郑州 450002；2.河南省林业科学研究院，郑州 450008）

摘 要：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、泛素化等多种共价修饰。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。组蛋白修饰的相关研究，对认识相关基因的功能、进一步了解基因的调控机制具有重要意义。 关键词：组蛋白修饰；基因调控

中图分类号：Q342+.3 文献标识码：A 文章编号：1003-2630（2009）01-0036-03

The Research Progress of Histone modification

and Gene regulation

KAN Sheng 1

，ZHAI Xiao-qiao 1,2

(1.Henan Agricultural University, zhengzhou 450002,China; 2.Henan Academy of forestry, Zhengzhou 450008,China)

Abstract: Nucleosome constitutes chromation is a basic unit in eukaryote. Its N-terminal amino acid residues can occur acetylation, methylation, phosphorylation, ubiquitination and other covalent modification. Histone modification on the regulation of gene expression similar DNA genetic code of regulation. Histone

modification of the study on the awareness of the relevant gene function, and further understanding of gene regulation mechanism is of great significance.

Key words: Histone modification;Gene regulation

随着科学技术的发展和多种生物基因序列特别是人类基因序列的掌握，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。基因表达是一个受多因素调控的复杂过程。而表观遗传学是DNA 序列未发生变化而使一些基因失活，导致病理的产生，其病因主要是一些抑制基因被沉默或一些沉默的基因被激活从而导致基因表达的变化。

在细胞里，DNA 以染色质的形式存在，核小体是染色质的基本组成单位 [1,21-23]

。从进化的意义上说组蛋白是极端保守的，在各种真核生物中它们的氨基酸顺序，结构和功能都十分相似。虽然如此，组蛋白仍可被修饰，如甲基化、乙酰基化、磷酸化和泛素化,这些修饰都是可逆性修饰

[2,21-23]

。细胞对外在刺激做出的每一个反应几乎都会涉及到染色质活性的改变—通过修饰组蛋白，变换组蛋白密码实现。组蛋白基化修饰DNA 碱基功能，进而调控基因转录和DNA 修复，而且组蛋白基化作为一种记号，控制表观遗传水平

[21-23]

。

1组蛋白甲基化、组蛋白去甲基化与基因调控

1.1组蛋白甲基化与基因调控的关系

组蛋白的甲基化属于表型遗传学的研究范畴，由不同的特异性组蛋白甲基转移酶(Histonemethylt ransferases,HMT)催化形成。主要发生在赖氨酸(Ly s)和精氨酸（Arg）的残基上[1,3]

。催化赖氨酸Lys 和精氨酸Arg 残基的甲基转移酶有3个主要的蛋白家族：PRMT 家族、SET 域家族和非SET 域家族的蛋白质。识别组蛋白甲基化的3个蛋白基元：染色域(C hromodomain)、TUDOR 域和WD40重复域(WD-r epeat domain)；它们能够与甲基化的赖氨酸残基作用，这些基元被特定的甲基化位点招募并且对不同生物发育起到一定的作用。组蛋白甲基化是一个动态的过程。它是通过组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶的相互作用，动态地调节组蛋白的甲基化状态，及其与其他功能蛋白的相互作用，来调控基因转录的激活和抑制的生物学过程[4-9]。

1.2组蛋白去甲基化与基因调控的关系

2004年，组蛋白赖氨酸去甲基化酶LSD1(Lysi ne Specific Demethylase)被首次发现[27,28]

；同时Ra min 等人也报道，BHC 复合物可使甲基化的组蛋白

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H3K4去甲基化[24,27~29]。LSD1又叫KIAA0601，pl10b，BHC110，NPAO，稳定存在于一些组蛋白去乙酰化酶复合物中。序列分析显示LSD1含有一个N 端S WIRM(Swi3p、Rsc8p and Moira)结构域，很多与染色体相互作用的蛋白都含有SWIRM结构域，一个C端FAD依赖的胺氧化酶结构域，从小分子胺到蛋白质都可能是胺氧化酶的底物。根据序列同源性分析和功能结构域预测的结果以及LSD1存在于组蛋白去乙酰化酶复合物中的现象，哈佛医学院的Yang Shi和他的同事认为LSD1可能是组蛋白赖氨酸的去甲基化酶。否定了组蛋白赖氨酸甲基化是永久性的表观遗传标记这一概念[30,31]。

2组蛋白乙酰化、组蛋白去乙酰化与基因调控

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[2]。在真核细胞中，DNA 与组蛋白是染色质的主要成分。染色质的结构与基因活性密切相关，通过组蛋白的乙酰化和去乙酰化来修饰染色体的结构，在DNA复制、基因转录及细胞周期的控制等方面有重要作用。

研究发现，染色体组蛋白的乙酰化修饰与活跃的基因表达密切相关，而相应基因调节区的乙酰化程度不足通常引起基因沉默[12]。组蛋白乙酰化／去乙酰化修饰是基因转录调控的关键机制之一[37]。最新研究发现乙酰化修饰大多在组蛋白H3赖氨酸的9、14、18、23和H4赖氨酸5、8、12、16等位点[12]。组蛋白乙酰化是可逆的动态过程[2,21-23]，因此组蛋白乙酰化可以激活特定基因的转录过程。组蛋白去乙酰化酶则移去组蛋白赖氨酸残基上的乙酰基，恢复组蛋白的正电性，带正电荷的赖氨酸残基与DNA分子的电性相反，增加了DNA与组蛋白之间的吸引力，使启动子不易接近转录调控元件，从而抑制转录[12]。

3组蛋白磷酸化、组蛋白泛素化与基因调控

3.1组蛋白磷酸化与基因调控的关系

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[2]。磷酸化修饰，特别是组蛋白H1和H3的磷酸化，长期以来被认为与有丝分裂相关。早期实验演示组蛋白H1的磷酸化的主要增加发生在各种真核生物的有丝分裂期间，且这种修饰也依赖Cdc2激酶活性。因此认为在有丝分裂染色体凝集中组蛋白Hl的磷酸化起重要作用[13]。

3.2组蛋白泛素化与基因调控的关系

蛋白质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末端相互结合的过程[15]。泛素作为一种含有76个氨基酸高度保守的蛋白质广泛存在于真核生物中，泛素-蛋白水解酶作为决定体内众多生化反应系统，具有快速、一过性、单向进行的特点，在细胞周期、凋亡、代谢调节等生命科学众多领域起到了中心的作用[16]。由于泛素分子本身有7个赖氨酸残基位点，并且泛素本身的赖氨酸残基也可以与泛素分子相互结合，因此底物蛋白的一个赖氨酸残基可能结合多个泛素分子，这样就形成了蛋白质的多泛素化修饰[15]。泛素化调节途径共有三类酶催化：泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme，E

1)，泛素接合酶(ubiquitin-conjugating enzyme，E

2)，泛素-蛋白质连接酶(ubiquitin protein ligase，E3)。多聚泛素化需要以上三种酶的共同作用，而单泛素化一般仅需要前两种酶[16]。

像乙酰化和磷酸化一样，组蛋白泛素化是可逆转的调控。因此，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和可以对组蛋白添加或移除泛素的酶的活性。将泛素加到组蛋白需要一系列酶E1、E2、E3的作用。泛素部分的移除需要肽酶(isopeptide)的活性[15]。因此组蛋白泛素化与基因有着密不可分的关系。类似的结论还有组蛋白泛素化与基因的沉默和转录有关[16]。

4组蛋白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。研究发现，组蛋白的乙酰化能够破坏核小体核心颗粒的稳定性[15]。另外，H2A、H2 B的泛素化能够减弱染色质中H2A-H2B二聚体与H 3-H4四聚体之间的相互作用。不同组蛋白修饰组蛋白活动相互作用，形成多亚基复合物，可能与核小体重修饰复合物(NuRcs，如Swi／Snf、RSC、NUR F)相互作用，重修饰染色质[13]。有证据表明，这些重修饰复合物通过组蛋白尾部由这些复合物所调节的启动子处不同乙酰化方式的因子募集和识别而联合起作用。