组蛋白赖氨酸去甲基化与基因调控
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【Key words】 histone lysine; demethylase; LSD1; Jm jC p rotein; gene regulation
组蛋白 N 端的氨基酸残基可通过多种共价修 饰调控基因表达 [ 1 ] 。目前发现组蛋白 H3、H4 有 6 个赖氨酸位点甲基化与基因表达有密切关系 。组蛋 白赖氨酸甲基化一直被认为是一种不可逆的过程 。 最近发现 , LSD1和 Jm jC蛋白家族能够特异性脱去 组蛋白赖氨酸上的甲基基团 , 在基因表达调控中起 重要作用 。
H istone L ysine D em ethyla tion and Gene Regula tion
PENG Zhengliang, CAO Renxian, W EN Gebo Institu te of C lin ica l R esea rch, the F irst A ffilia ted Hospita l of N anhua U n iversity, Hengyang, 421001, Ch ina
1 组蛋白赖氨酸去甲基化酶
最初研究发现 , 精氨酸脱亚氨基酶 - PAD I4 / PAD4能够将组蛋白 H3和 H4位点上的单甲基化的
作者简介 : 彭正良 , 男 , 1979年生 , 硕士研究生 通讯作者 : 曹仁贤 (电话 : 073428279392, E2mail: caorenxian@ hot2
Jm jC蛋白是通过氧化羟化机制催化组蛋白去 甲基 化 作 用 , 其 催 化 反 应 依 赖 Fe2 + 和 a2KG[ 15 ] 。 C loos等 [ 14 ]对 JMJD2C去甲基化反应的机理进行了 研究 , 发 现 Fe2 + 首 先 结 合 到 JMJD2C 催 化 中 心 H is190 、 Glu192和 H is288 氨 基酸 位点 。随 着 a2KG 结 合 , Fe2 +再与氧结合使 a2KG氧化脱羧产生二氧化 碳 , 琥珀酸盐和 Fe ( Ⅳ) = O , Fe ( Ⅳ) = O 进 一步羟化甲基化的 K9产生甲醛 , 最后组蛋白和琥 珀酸盐离开 JMJD2C分子 , 完成组蛋白去甲基化反 应过程 。
【Abstract】 The discovery of the histone lysine demethylases has strongly demonstrated that his2 tone lysine methylation is a reversible ep igenetic modification1 LSD1 is a FAD 2dependent am ine oxi2 dase and can specifically demethylate H3K4me2 /m e1 and H3K9me2 /me11 Jm jC p rotein, including JHDM1, JHDM2 and JMJD2 subfam ily, has been recently reported to have histone lysine dem ethy2 lase activity1The imbalance of histone methylation has been linked to tumorigenesis1 Therefore, his2 tone lysine demethylases m ay serve as a new target for anti2cancer therapy1
mail1 com ) Author’s brief introduction: PENG Zhengliang, male, born in 1979, Baidu Nhomakorabearaduate student for master degree Corresponding author: CAO Renxian ( Tel: 86273428279392, E2mail: caorenxian@ hotmail1com )
精氨酸残基通过催化脱亚氨基而转为瓜氨酸 , 这种 反应是一个有效的组蛋白去甲基化反应 , 但其对未 甲基化的精氨酸也同样作用 , 不受精氨酸是否甲基 化的限制 [ 2 ] 。尽管这不是真正意义上的组蛋白去 甲基化酶 , 但这个发现让人们意识到组蛋白甲基化 也是能够被逆转的 。寻找组蛋白去甲基化酶经历了 一个漫长的路程 , 胺氧化酶一直被认为具有潜在的 去甲基化酶作用 。直到 Shi等 [ 3 ]通过实验发现赖氨 酸特异性组蛋白去甲基化酶 1 (LSD1 ) 才验证了 这一假说 。LSD1是 KIAA0601编码的一个蛋白质 , 图 1显示了 LSD1的结构域及其同源系 。LSD1的 C 端 2 /3与 FAD 依赖性胺氧化酶有高度的序列同源 性 。其 N 端含一个 SW IRM 结构域 , 该结构域的功 能是作为蛋白 2蛋白相互作用基序 。 SW IRM 结构域 使得 LSD1及其家族与传统的胺氧化酶有所不同 。 通过对蛋白质数据库的同源性搜索 , 人类还发现一 个 LSD1样蛋白 —AOF1。但酿酒酵母 S1cerevisiae中
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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彭正良 , 等. 组蛋白赖氨酸去甲基化与基因调控
H3K9M e3 /M e2上的甲基基团 , 可能与肿瘤的发生 有关 [ 14 ] 。
图 2 JHDM2亚家族及同源系 [5 ]
JMJD2亚家族有 4 个成员 JMJD2A、 JMJD2B、 JMJD2C和 JMJD2D (也有将 JMJD2E、 JMJD2F 包 括的报道 ) 都具有组蛋白赖氨酸三甲基化去甲基 化酶活性 [ 6 ] 。通过 SMART分析 , 该家族成员均含 有 Jm jN 和 Jm jC结构域 , 除 JMJD2D 外 , 其它 3个 成员还含有 2个 PHD 和 2个 Tudor结构域 。有研究 发现 , JMJD2A 不仅具有组蛋白赖氨酸去甲基化酶 活性 , 其分子结构中 Tudor结构域能特异性结合 H3K4M e3和 H4K20M e3[ 7 ] 。
医学分子生物学杂志 , 2006, 3 ( 6) : 4462449 J Med Mol B iol, 2006, 3 ( 6) : 4462449
组蛋白赖氨酸去甲基化与基因调控
彭正良 , 曹仁贤 , 文格波
南华大学附属第一医院临床医学研究所 湖南省衡阳市 , 421001
【摘要 】 随着组蛋白赖氨酸去甲基化酶的发现 , 证实组蛋白赖氨酸甲基化是一个可以逆转的组蛋白表遗 传修饰 。赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶 1 ( lysine specific demethylase 1, LSD1) 是一个 FAD依赖性胺氧化 酶 , 它能够特异性脱去单甲基化和二甲基化 H3K4和 H3K9位点上的甲基基团 。Jm jC蛋白 JHDM1、JHDM2、 JMJD2 3个亚家族都具有组蛋白赖氨酸去甲基化酶活性 。目前证实组蛋白甲基化与去甲基化失平衡与肿瘤 发生相关 。组蛋白赖氨酸去甲基化酶有可能成为一个新的抗肿瘤治疗靶标 。 【关键词 】 组蛋白赖氨酸 ; 去甲基化酶 ; 赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶 1; Jm jC蛋白 ; 基因调控 【中图分类号 】 Q786
LSD1是一个 FAD 依赖性胺氧化酶 , 它能够特 异性脱去单甲基化和二甲基化的组蛋白赖氨酸残基 上的甲基基团 [ 8 ] 。LSD1 首先通过胺氧化反应氧化 结合在底物上的 2CH 基团 , 形成一个亚胺中间产 物 , 这个反应需要 FAD 的参与 。中间产物亚胺再 被水解生成氯苯吡醇胺 , 这个基团不稳定 , 被降解 后释放甲醛 [ 9 ] 。LSD1 只能脱去单甲基化或二甲基 化的赖氨酸或精氨酸残基上的甲基基团 , 这是因为 中间产物亚胺的形成需要一个质子化的氮 , 因而三 甲基化的赖氨酸不能作为胺氧化酶的底物 。LSD1 介导的组蛋白去甲基化反应是一个逐步的 、精细
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却未发现有 LSD1同源物存在 。
2 组蛋白赖氨酸去甲基化酶的生物学作用
图 1 LSD1的结构域及其同源系 [3 ]
最近 , Tsukada 等 [ 4 ] 通过酵母的培养与纯化 , 发现 Jm jC蛋白家族具有去甲基化酶活性 。Jm jC结 构域属于金属酶中的 cup in 超家族 , 通过基因分 析 , 从原核生物到真核生物 , 有 100 多个含 Jm jC 结 构 域 的 蛋 白 。目 前 发 现 Jm jC 蛋 白 JHDM1、 JHDM2、JMJD2 3个亚家族中的许多成员都具有组 蛋白赖氨酸去甲基化酶活性 。Jm jC 蛋白去甲基化 酶活性依赖于 Jm jC结构域的完整 , 功能上是高度 保守的 , 如 Jm jC 结构域的一个点突变 ( H305A ) 就完全失去其酶活性 [ 4 ] 。但仅有 Jm jC 结构也不能 完成一个去甲基化催化过程 , 还需要有另外不同的 结构域共同作用才能发挥去甲基化的催化反应 。如 JHDM2 亚 家 族 在 人 和 鼠 发 现 有 JHDM2A、 JHDM2B、JHDM2C 3 个成员 , 分子结构中除 Jm jC 外 , 还有 1个锌指区 。这 2个结构域均与组蛋白赖 氨酸去甲基酶活性有关 (图 2) 。
JMJD2家族均能脱去三甲基化赖氨酸残基上的 甲基 , 运 用 质 谱 分 析 及 RNA i 等 方 法 发 现 , JM 2 JD2A 能够脱去 H3K9me3和 H3K36m e3位点上一个 甲基基 团而 转变 为 H3K9me2 和 H3K36me2。 JM 2 JD2A 催化中心由数个独立结构域和结构基序组成 : N 端有 Jm jN、Jm jC 结构域 、一个长 β发夹结构及 一个由几个单环与 β链组成的基序 ; C端包含几个 短的单环和一个回环 。 Jm jC 结构域中的一个半胱 氨酸和一个组氨酸残基与 C 端的两个半胱氨酸残 基共同形成一个锌指基序 [ 12 ] 。其中 N 端的 Jm jN 和 Jm jC两个结构域的 350 个氨基酸在位点的识别和 去甲基化反应中起决定性作用 , 它与全长 JMJD2A 识别位点的特异性是相同的 。 Fodor等 [ 13 ]通过体内 实 验 证 实 JMJD2B 能 够 作 用 于 H3K9M e3 及 H3K36M e2, 催化其去甲基化 , 但体外去甲基化阵 列分析却没有发现 JMJD2B 明显降低 H3K9M e3 的 水平 , 这提示 JMJD2B 酶活性比较弱 。 JMJD2C 又 被称 为 GASC21 ( gene amp lified in squamous cell carcinoma) , 是 一 个 公 认 的 原 癌 基 因 , 能 够 脱 去
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医学分子生物学杂志 , 2006, 3 ( 6) : 4462449 J Med Mol B iol, 2006, 3 ( 6) : 4462449
的 、动态的调控过程 , 这其中有多个 LSD1相关的 正向和负向调节因子的参与 , 包括 HDAC、 CoR2 EST和 BHC80。这种动态调控对生理和病理情况 下的基因表达水平有重要的影响 [ 10211 ] 。
Tsukada等 [ 4 ]通过去甲基化酶阵列分析结合色 谱分析技术 , 纯化并定义了第一个含 Jm jC 结构域 的去甲基化酶 (Jm jC domain2containing histone dem2 ethylase 1, JHDM1) , 它特异性作用于 H3K36M e2。 JHDM2A 能够脱去单甲基化或二甲基化的 H3K9位 点上的甲基基团 [ 5 ] 。 JHDM1A 和 JHDM2A 都表现 出严格的底物特异性 , 它们不但选择性作用于特定 的赖氨酸残基 , 而且受特定的赖氨酸甲基化状态限 制 , 它们对三甲基化的赖氨酸甲基化无作用 。
组蛋白 N 端的氨基酸残基可通过多种共价修 饰调控基因表达 [ 1 ] 。目前发现组蛋白 H3、H4 有 6 个赖氨酸位点甲基化与基因表达有密切关系 。组蛋 白赖氨酸甲基化一直被认为是一种不可逆的过程 。 最近发现 , LSD1和 Jm jC蛋白家族能够特异性脱去 组蛋白赖氨酸上的甲基基团 , 在基因表达调控中起 重要作用 。
H istone L ysine D em ethyla tion and Gene Regula tion
PENG Zhengliang, CAO Renxian, W EN Gebo Institu te of C lin ica l R esea rch, the F irst A ffilia ted Hospita l of N anhua U n iversity, Hengyang, 421001, Ch ina
1 组蛋白赖氨酸去甲基化酶
最初研究发现 , 精氨酸脱亚氨基酶 - PAD I4 / PAD4能够将组蛋白 H3和 H4位点上的单甲基化的
作者简介 : 彭正良 , 男 , 1979年生 , 硕士研究生 通讯作者 : 曹仁贤 (电话 : 073428279392, E2mail: caorenxian@ hot2
Jm jC蛋白是通过氧化羟化机制催化组蛋白去 甲基 化 作 用 , 其 催 化 反 应 依 赖 Fe2 + 和 a2KG[ 15 ] 。 C loos等 [ 14 ]对 JMJD2C去甲基化反应的机理进行了 研究 , 发 现 Fe2 + 首 先 结 合 到 JMJD2C 催 化 中 心 H is190 、 Glu192和 H is288 氨 基酸 位点 。随 着 a2KG 结 合 , Fe2 +再与氧结合使 a2KG氧化脱羧产生二氧化 碳 , 琥珀酸盐和 Fe ( Ⅳ) = O , Fe ( Ⅳ) = O 进 一步羟化甲基化的 K9产生甲醛 , 最后组蛋白和琥 珀酸盐离开 JMJD2C分子 , 完成组蛋白去甲基化反 应过程 。
【Abstract】 The discovery of the histone lysine demethylases has strongly demonstrated that his2 tone lysine methylation is a reversible ep igenetic modification1 LSD1 is a FAD 2dependent am ine oxi2 dase and can specifically demethylate H3K4me2 /m e1 and H3K9me2 /me11 Jm jC p rotein, including JHDM1, JHDM2 and JMJD2 subfam ily, has been recently reported to have histone lysine dem ethy2 lase activity1The imbalance of histone methylation has been linked to tumorigenesis1 Therefore, his2 tone lysine demethylases m ay serve as a new target for anti2cancer therapy1
mail1 com ) Author’s brief introduction: PENG Zhengliang, male, born in 1979, Baidu Nhomakorabearaduate student for master degree Corresponding author: CAO Renxian ( Tel: 86273428279392, E2mail: caorenxian@ hotmail1com )
精氨酸残基通过催化脱亚氨基而转为瓜氨酸 , 这种 反应是一个有效的组蛋白去甲基化反应 , 但其对未 甲基化的精氨酸也同样作用 , 不受精氨酸是否甲基 化的限制 [ 2 ] 。尽管这不是真正意义上的组蛋白去 甲基化酶 , 但这个发现让人们意识到组蛋白甲基化 也是能够被逆转的 。寻找组蛋白去甲基化酶经历了 一个漫长的路程 , 胺氧化酶一直被认为具有潜在的 去甲基化酶作用 。直到 Shi等 [ 3 ]通过实验发现赖氨 酸特异性组蛋白去甲基化酶 1 (LSD1 ) 才验证了 这一假说 。LSD1是 KIAA0601编码的一个蛋白质 , 图 1显示了 LSD1的结构域及其同源系 。LSD1的 C 端 2 /3与 FAD 依赖性胺氧化酶有高度的序列同源 性 。其 N 端含一个 SW IRM 结构域 , 该结构域的功 能是作为蛋白 2蛋白相互作用基序 。 SW IRM 结构域 使得 LSD1及其家族与传统的胺氧化酶有所不同 。 通过对蛋白质数据库的同源性搜索 , 人类还发现一 个 LSD1样蛋白 —AOF1。但酿酒酵母 S1cerevisiae中
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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彭正良 , 等. 组蛋白赖氨酸去甲基化与基因调控
H3K9M e3 /M e2上的甲基基团 , 可能与肿瘤的发生 有关 [ 14 ] 。
图 2 JHDM2亚家族及同源系 [5 ]
JMJD2亚家族有 4 个成员 JMJD2A、 JMJD2B、 JMJD2C和 JMJD2D (也有将 JMJD2E、 JMJD2F 包 括的报道 ) 都具有组蛋白赖氨酸三甲基化去甲基 化酶活性 [ 6 ] 。通过 SMART分析 , 该家族成员均含 有 Jm jN 和 Jm jC结构域 , 除 JMJD2D 外 , 其它 3个 成员还含有 2个 PHD 和 2个 Tudor结构域 。有研究 发现 , JMJD2A 不仅具有组蛋白赖氨酸去甲基化酶 活性 , 其分子结构中 Tudor结构域能特异性结合 H3K4M e3和 H4K20M e3[ 7 ] 。
医学分子生物学杂志 , 2006, 3 ( 6) : 4462449 J Med Mol B iol, 2006, 3 ( 6) : 4462449
组蛋白赖氨酸去甲基化与基因调控
彭正良 , 曹仁贤 , 文格波
南华大学附属第一医院临床医学研究所 湖南省衡阳市 , 421001
【摘要 】 随着组蛋白赖氨酸去甲基化酶的发现 , 证实组蛋白赖氨酸甲基化是一个可以逆转的组蛋白表遗 传修饰 。赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶 1 ( lysine specific demethylase 1, LSD1) 是一个 FAD依赖性胺氧化 酶 , 它能够特异性脱去单甲基化和二甲基化 H3K4和 H3K9位点上的甲基基团 。Jm jC蛋白 JHDM1、JHDM2、 JMJD2 3个亚家族都具有组蛋白赖氨酸去甲基化酶活性 。目前证实组蛋白甲基化与去甲基化失平衡与肿瘤 发生相关 。组蛋白赖氨酸去甲基化酶有可能成为一个新的抗肿瘤治疗靶标 。 【关键词 】 组蛋白赖氨酸 ; 去甲基化酶 ; 赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶 1; Jm jC蛋白 ; 基因调控 【中图分类号 】 Q786
LSD1是一个 FAD 依赖性胺氧化酶 , 它能够特 异性脱去单甲基化和二甲基化的组蛋白赖氨酸残基 上的甲基基团 [ 8 ] 。LSD1 首先通过胺氧化反应氧化 结合在底物上的 2CH 基团 , 形成一个亚胺中间产 物 , 这个反应需要 FAD 的参与 。中间产物亚胺再 被水解生成氯苯吡醇胺 , 这个基团不稳定 , 被降解 后释放甲醛 [ 9 ] 。LSD1 只能脱去单甲基化或二甲基 化的赖氨酸或精氨酸残基上的甲基基团 , 这是因为 中间产物亚胺的形成需要一个质子化的氮 , 因而三 甲基化的赖氨酸不能作为胺氧化酶的底物 。LSD1 介导的组蛋白去甲基化反应是一个逐步的 、精细
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却未发现有 LSD1同源物存在 。
2 组蛋白赖氨酸去甲基化酶的生物学作用
图 1 LSD1的结构域及其同源系 [3 ]
最近 , Tsukada 等 [ 4 ] 通过酵母的培养与纯化 , 发现 Jm jC蛋白家族具有去甲基化酶活性 。Jm jC结 构域属于金属酶中的 cup in 超家族 , 通过基因分 析 , 从原核生物到真核生物 , 有 100 多个含 Jm jC 结 构 域 的 蛋 白 。目 前 发 现 Jm jC 蛋 白 JHDM1、 JHDM2、JMJD2 3个亚家族中的许多成员都具有组 蛋白赖氨酸去甲基化酶活性 。Jm jC 蛋白去甲基化 酶活性依赖于 Jm jC结构域的完整 , 功能上是高度 保守的 , 如 Jm jC 结构域的一个点突变 ( H305A ) 就完全失去其酶活性 [ 4 ] 。但仅有 Jm jC 结构也不能 完成一个去甲基化催化过程 , 还需要有另外不同的 结构域共同作用才能发挥去甲基化的催化反应 。如 JHDM2 亚 家 族 在 人 和 鼠 发 现 有 JHDM2A、 JHDM2B、JHDM2C 3 个成员 , 分子结构中除 Jm jC 外 , 还有 1个锌指区 。这 2个结构域均与组蛋白赖 氨酸去甲基酶活性有关 (图 2) 。
JMJD2家族均能脱去三甲基化赖氨酸残基上的 甲基 , 运 用 质 谱 分 析 及 RNA i 等 方 法 发 现 , JM 2 JD2A 能够脱去 H3K9me3和 H3K36m e3位点上一个 甲基基 团而 转变 为 H3K9me2 和 H3K36me2。 JM 2 JD2A 催化中心由数个独立结构域和结构基序组成 : N 端有 Jm jN、Jm jC 结构域 、一个长 β发夹结构及 一个由几个单环与 β链组成的基序 ; C端包含几个 短的单环和一个回环 。 Jm jC 结构域中的一个半胱 氨酸和一个组氨酸残基与 C 端的两个半胱氨酸残 基共同形成一个锌指基序 [ 12 ] 。其中 N 端的 Jm jN 和 Jm jC两个结构域的 350 个氨基酸在位点的识别和 去甲基化反应中起决定性作用 , 它与全长 JMJD2A 识别位点的特异性是相同的 。 Fodor等 [ 13 ]通过体内 实 验 证 实 JMJD2B 能 够 作 用 于 H3K9M e3 及 H3K36M e2, 催化其去甲基化 , 但体外去甲基化阵 列分析却没有发现 JMJD2B 明显降低 H3K9M e3 的 水平 , 这提示 JMJD2B 酶活性比较弱 。 JMJD2C 又 被称 为 GASC21 ( gene amp lified in squamous cell carcinoma) , 是 一 个 公 认 的 原 癌 基 因 , 能 够 脱 去
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的 、动态的调控过程 , 这其中有多个 LSD1相关的 正向和负向调节因子的参与 , 包括 HDAC、 CoR2 EST和 BHC80。这种动态调控对生理和病理情况 下的基因表达水平有重要的影响 [ 10211 ] 。
Tsukada等 [ 4 ]通过去甲基化酶阵列分析结合色 谱分析技术 , 纯化并定义了第一个含 Jm jC 结构域 的去甲基化酶 (Jm jC domain2containing histone dem2 ethylase 1, JHDM1) , 它特异性作用于 H3K36M e2。 JHDM2A 能够脱去单甲基化或二甲基化的 H3K9位 点上的甲基基团 [ 5 ] 。 JHDM1A 和 JHDM2A 都表现 出严格的底物特异性 , 它们不但选择性作用于特定 的赖氨酸残基 , 而且受特定的赖氨酸甲基化状态限 制 , 它们对三甲基化的赖氨酸甲基化无作用 。