组蛋白甲基化与去甲基化

组蛋白甲基化与去甲基化的机制及功能研究摘要：组蛋白修饰是真核生物中最重要的控制基因转录调节的表观遗传修饰之一。

其中，组蛋白甲基化和去甲基化又是组蛋白最主要的并且研究较为清楚的修饰种类。

经典的分子生物学和基因工程工具为组蛋白甲基化和去甲基化提供了很有利的研究手段。

在此，我们回顾了一下此方面成就和进展，对组蛋白甲基化和去甲基化的机制和功能进行了较为详细的介绍。

关键词：组蛋白甲基化去甲基化机制功能核小体是染色质的基本组成单位，是由4种核心组蛋白(H3、H4、H2A、H2B)叠加构成的一种八聚体复合物，同时也是DNA的载体，其外盘绕着核酸链。

4种组蛋白结合紧密，但其N端“尾部”却伸向核小体外侧，是各种组蛋白修饰酶的作用靶点，这些修饰在基因的转录调控中发挥着重要作用：一方面它们能够改变染色质的结构状态而影响转录；另一方面，它们也可作为某些转录因子的识别位点和结合平台，从而募集基因转录的调控因子[1]。

组蛋白修饰有很多种，如：甲基化、乙酰化、范塑化等。

组蛋白修饰可以发生在不同的位点，同一位点也可以发生不同的组蛋白修饰，这些修饰通过影响组蛋白-DNA和组蛋白-组蛋白的相互作用而改变染色质的结构。

单一的组蛋白修饰往往不能独立地发挥作用，一种修饰的存在可以指导或抑制同一组蛋白上另一修饰的存在，形成一个修饰的级联。

这些修饰可以作为一种标志或语言，也被称为“组蛋白密码”[1]，组蛋白密码大大丰富了传统遗传密码的信息含量。

组蛋白甲基化是目前研究相对清楚的一种组蛋白修饰。

组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histone methylation transferase，HMT）完成的，可以发生在赖氨酸和精氨酸两种氨基酸残基上。

赖氨酸可以分别被一、二、三甲基化，精氨酸只能被一、二甲基化，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。

其中，组蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79、H4的K20和H3的R2、Rl7、R26及H4的R3均可被甲基化。

1.精氨酸的甲基化1.1组蛋白精氨酸甲基转移酶蛋白精氨酸甲基转移酶(protein arginine methyltransferases ,PRMTs)能够将S-腺苷甲硫氨酸(AdoMet)上的甲基转移到靶蛋白精氨酸残基末端的胍基上，反应最初产生单甲基化精氨酸，也可连续两次催化得到非对称双甲基化精氨酸(SDMA)(称为Ⅰ型)，或对称的双甲基化精氨酸(ADMA)(称为Ⅱ型)。

在人体内已鉴别出11种PRMTs，除PRMT2、10和11外，其他的PRMTs 都具有催化精氨酸甲基化的能力，而PRMT1、4、5、6、7和9具有特异的组蛋白精氨酸甲基转移酶活性，其中PRMT1,4,6属于Ⅰ型的PRMTs，而PRMT5,7,9属于Ⅱ型PRMTs[2,3]。

1.2组蛋白精氨酸甲基化与基因调控组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，在基因转录调控中发挥着重要作用，并能影响细胞的多种生理过程，包括DNA修复，信号传导，细胞发育及癌症发生等[2]．6种组蛋白精氨酸甲基转移酶对组蛋白的修饰而引起基因转录的调控并不相同，其中PRMT1和PRMT4的修饰能引起基因转录的激活，而PRMT5和PRMT6的修饰则引起基因转录的抑制。

PRTM1和PRMT4在外界刺激(如雌激素)下激活转录，它能与CBP/p300、SRC/p160蛋白家族等形成大的转录激活复合物，这个复合物被其他转录因子如核受体、NF-κB、p53等募集到靶基因的启动子上发挥作用，其中具有酶活性的辅激活因子对染色质上的组蛋白进行修饰，首先是PRMT1对H4R3位点的甲基化，这一修饰被认为是启动信号，接下来是CBP/p300对H3K14的乙酰化以及PRMT4对H3R17的甲基化，这些因子还能与染色质重塑复合物和基本转录机相互作用，催化染色质构象改变并最终激活基因转录[4,5,6]。

PRMT5与PRMT1和PRMT4有相似的调控方式：PRTM5会与一些转录相关因子（主要是辅抑制因子）形成复合物来参与基因转录调控；也能与染色质重塑复合物相互作用，调节染色质构象改变，达到抑制转录的目的。

PRMT6是一种具有自我甲基化活性的I型精氨酸甲基转移酶，PRMT6对H3R2的甲基化修饰会阻止重要的识别亚基与H3K4位点的结合，使复合物无法被激活，从而抑制H3K4的甲基化，抑制基因转录[7，8]。

2.精氨酸的去甲基化催化组蛋白精氨酸去甲基化酶主要有两个：一个是肽基精氨酸去亚胺基酶4( peptide arginine deiminase 4, PADI/PAD4)，它能将蛋白质内单甲基化的精氨酸脱去甲基和亚胺基，进而转化为瓜氨酸，因此这一过程常被称为去亚胺基化(deimination)或瓜氨酸化(citrullination)[9]．另一个酶是JmjC 区域包含蛋白6(JmjC domain-containing 6protein,JMJD6)，它能够特异地将精氨酸上的甲基通过羟基化的过程转化为甲醛，从而实现甲基的脱离[10].PADI4对H2A，H3，H4三种组蛋白具有催化活性，对H2A和H4的修饰位点位于第三位的精氨酸上，并且这两个位点具有SGRGK的序列保守性；而对H3的修饰位点较多，包括：H3R2、R8、R17和R26，它们并不具有序列上的保守性[11]．其中H3R8、H3R17以及H4R3是PADI4在体内的主要作用位点。

PADI4对组蛋白H3上精氨酸的修饰会抑制激素受体介导基因(hormonereceptor-mediatedgene)的转录，他们发现，当激素刺激引起基因转录下调时，PADI4会被募集到pS2基因的启动子上，并引起H3上相应位点的去亚胺基化，这种修饰会阻止CARM1对H3精氨酸的催化，后者被认为是激素介导基因转录所必需的，PADI4就是通过去亚胺基化作用拮抗了CARM1，从而抑制了转录的进行．JMJD6是真正意义上的精氨酸去甲基化酶。

JMJD6在发现之初被称作磷酸化丝氨酸受体(phosphatidyl serine receptor,PSR)，因为它位于吞噬细胞表面，能够特异地识别凋亡细胞细胞膜上含有磷酸化丝氨酸的蛋白质，进而介导这些凋亡细胞的清除，在胚胎发育和细胞程序性凋亡中发挥重要作用．随着研究的深入，PSR的多个核定位信号被识别，表明其可能在细胞核内也能发挥功能[12]．通过序列分析表明，PSR含有一个保守且具有酶活性的JmjC区域，这为它成为一种精氨酸的去甲基化酶提供了前提条件。

直到2007年，Chang等[13]终于证实PSR(也就是JMJD6)是一种特异的组蛋白精氨酸去甲基化酶．他们首先利用不同甲基化位点的专一性抗体，发现JMJD6能催化组蛋白H3R2和H4R3的去甲基化，这一作用对单甲基化、对称双甲基化和非对称双甲基化精氨酸都有效果，但对相邻的赖氨酸以及H3R17和H3R26的甲基化没有任何影响，随后利用特定的反应体系确定了JMJD6的这种催化活性依赖于Fe2+和酮戊二酸的参与，而最后的质谱分析和转染实验也显示细胞内的确存在JMJD6这一催化能力．3.赖氨酸的甲基化3.1组蛋白赖氨酸甲基转移酶组蛋白赖氨酸的甲基化是由不同的特异的组蛋白赖氨酸甲基化转移酶（histone lysine methyltransferases，HKMTs）催化的。

根据组蛋白赖氨酸甲基转移酶作用靶位点的特异性及物种来源的不同，做出总结，见表1.3.2组蛋白赖氨酸甲基化与基因调控组蛋白赖氨酸甲基化对基因转录的调控不仅取决于赖氨酸残基位点及甲基化程度,而且与组蛋白赖氨酸甲基化在基因的区域有关。

异染色质H3K9甲基化是基因转录沉默的标志。

基因编码区H3K9甲基化与基因激活有关。

H3K4甲基化是基因转录激活的标志。

含有SET区域的HYPB蛋白能特异性催化H3K36甲基化,通过磷酸化的Pol Ⅱ募集,参与基因转录延伸。

赖氨酸甲基化是一个可以逆转的组蛋白表遗传修饰。

一般来说，组蛋白H3K4的甲基化主要聚集在活跃转录的启动子区域，与基因激活相关；而第9位和第27位赖氨酸甲基化同基因的转录抑制及异染色质有关。

此外，H4K20的甲基化与基因沉默相关，H3K36和H3K79的甲基化与基因激活有关。

4.赖氨酸的去甲基化4.1组蛋白赖氨酸去甲基化酶精氨酸脱亚氨基酶-PADI4/PAD4的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,其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SWIRM结构域,该结构域的功能是作为蛋白-蛋白相互作用基序。

之后，研究发现JmjC蛋白JHDM1、JHDM2、JMJD23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。

JmjC蛋白去甲基化酶活性依赖于JmjC结构域的完整,功能上高度保守，如JmjC结构域的一个点突变(H305A)就完全失去其酶活性[4]。

但仅有JmjC 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、JHDM2C3个成员,分子结构中除JmjC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。

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H3K4Me3和H4K20Me3。

4.2组蛋白赖氨酸去甲基化与基因调控组蛋白赖氨酸去甲基化酶通过改变赖氨酸残基位点上的甲基化状态而调控基因转录。

LSD1在基因表达调控中的作用取决于特异性底物。

LSD1不同的分子伴侣介导LSD1作用于不同的底物,产生不同的生物学效应。

研究表明CoREST复合体中的LSD1作为转录复合抑制因子,能使H3K4去甲基化,抑制一些神经元特异性基因(M4、AchR、SCN1A、SCN2A和SCN3A)的表达。

应用RNAi沉默HeLa细胞LSD1后,发现这些神经元特异性基因启动子区LSD1显著减少,并伴随H3H4和基因的表达增加[14]。

这些结果提示LSD1能够使H3K4去甲基化,抑制内源性基因的表达。

另一方面,LSD1以配基依赖方式与雄激素受体(AR)结合形成复合体,能够使H3K9去甲基化,刺激AR靶基因转录。

在LNCaP细胞研究中发现,LSD1能与雄激素受体(AR)相互作用,促进AR依赖性相关基因的转录,应用RNAi 敲除LSD1或应用帕吉林(Pargyline)阻止LSD1对H3K9去甲基化作用,均可抑制AR依赖的PSA基因表达和雄激素诱导的细胞增殖[15]。