个人整理：组蛋白甲基化在真核基因中的调控作用

组蛋白甲基化在真核基因中的调控作用

1 组蛋白修饰的结构基础

在真核生物中，核小体是染色质的基本结构单位，是由DNA和组蛋白共同构成。组蛋白分子分为H1、H2A、H2B、H3和H4等5种。核心组蛋白足由H2A、H2B、H3、H4各2个分子形成的八聚体，与其上缠绕的146 bp DNA双螺旋分子构成了核小体的核心颗粒，核小体的核心颗粒之间再由约60个碱基对DNA和组蛋白H1连接起来形成串珠样结构。

组蛋白富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，可以与带有负电荷的DNA分子紧密结合。每个核心组蛋白由一个球形结构域和暴露在核小体表面的N端尾区组成，其N端氨基末端会发生多种共价修饰，包括磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、糖基化、碳基化等。

2 组蛋白修饰、组蛋白密码与表观遗传学

组蛋白翻译后修饰包括乙酰化与去乙酰化、磷酸化与去磷酸化、甲基化与去甲基化、泛素化与去泛素化等。这些修饰可能通过两种机制影响染色体的结构与功能：改变组蛋白的电荷，因此改变了组蛋白与DNA结合的特性；产生蛋白识别模块的结合表面，因此能募集专一蛋白复合物到它们的表面起作用。

单一组蛋白的修饰往往不能独立地发挥作用，一个或多个组蛋白尾部的不同共价修饰依次发挥作用或组合在一起，形成一个修饰的级联，它们通过协同或拮抗来共同发挥作用。这些多样性的修饰以及它们时间和空间上的组合与生物学功能的关系可作为一种重要的表观标志或语言，也被称为“组蛋白密码” (histone code)，在不同环境中可以被一系列特定的蛋白质或者蛋白质复合物所识别，从而将这种密码翻译成一种特定的染色质状态以实现对特定基因的调节。组蛋白修饰与DNA 甲基化、染色体重塑和非编码RNA 调控等，在基因的DNA序列不发生改变时，使基因的表达发生改变，并且这种改变还能通过有丝分裂和减数分裂进行遗传，这种遗传方式是遗传学的一个分支，被称为“表观遗传学”。组蛋白密码扩展了DNA序列自身包含的遗传信息，构成了重要的表观遗传学标志。

图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。

从图1 可见，组蛋白H3K9 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。Litt等研究表明，H3K9 的乙酰化和甲基化间存在负相关，而H3K4 乙酰化与甲基化间存在正相关，由此很容易看出H3K9 和H3K4 的甲基化存在拮抗作用。由此可见，组蛋白修饰以及组蛋白修饰间的调节将是非常复杂的，有待进一步探索。

3 组蛋白甲基化和去甲基化

3.1 组蛋白甲基化和组蛋白甲基转移酶

组蛋白甲基化是表观遗传修饰方式中的一种，参与基因转录调控，通常发生在H3和H4组蛋白N端精氨酸或者赖氨酸残基上的甲基化，由组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferases，HMT)

催化，该酶分为组蛋白赖氨酸甲基转移酶(HKMT)、组蛋白精氨酸甲基转移酶(HRMT)2个家族。

HKMT例如果蝇Su(var)3—9、Ashl，裂殖酵母Clr4、SET9，酿酒酵母ySETI、set2，粗糙链胞霉菌Dim5，哺乳动物Suv39H1、Suv39H2、G9a、G9a相关蛋白(GLP)、SETBl/ESET、M1。l。、SET7/Set9、NSDl、EZH2等。其甲基化位点多位于H3N端尾区赖氨酸残基上，其中H3K4、H3K36的甲基化可以激活基因转录，而H3K9、H3K27、H3K79、H3K20的甲基化则抑制基因转录。

促进基因表达，或是抑制基因表达，除取决于甲基化的位点外，还与甲基化的程度相关，即某一特定残基可以结合不同数目的甲基，赖氨酸残基的单、双、三甲基化(metl、met2、met3)似乎是基因表达调控较为稳定的标记。HRMT如PRMT5、PRMTl、CARMl，其甲基化位点多位于H3 N端尾区精氨酸残基上，能够单、双甲基化。一般来说，精氨酸甲基化与基因激活相关，组蛋白精氨酸甲基转移酶作为协同刺激因子被募集到目标基因的启动子区促进基因表达，若精氨酸的甲基化丢失则与基因沉默相关。

3.2 组蛋白去甲基化及组蛋白去甲基化酶

多年以来组蛋白甲基化作用被认为是不可逆的，然而有研究显示有一种酶即Jumonji domaincontaining(JmjC)组蛋白去甲基化酶可以催化组蛋白中赖氨酸和精氨酸单、双甲基化的去甲基化，而三甲基化似乎不能被去甲基化。

组蛋白去甲基化酶的发现使组蛋白甲基化过程更具动态性，也大大丰富了组蛋白修饰的复杂性。该类酶主要包括肽基精氨酸脱亚胺酶4(PAD4)和赖氨酸特异性去甲基化酶I(LSDl)等。PAD4是一种可以将甲基化的精氨酸转变为瓜氨酸同时释放甲胺的蛋白，使蛋白质精氨酸甲基转移酶失去作用位点而达到抑制甲基化反应的目的，多作用于H3、H4的多个精氨酸位点，但只对单甲基化有效，对双甲基化无效。LSDl是一种黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)依赖的单胺氧化酶，通过氨基氧化作用生成甲醛和去甲基化赖氨酸残基达到去除甲基的目的。该酶可以使得赖氨酸单、双甲基化去甲基，特别作用于H3K4位点，使转录受到抑制。也有报告雄激素受体的作用下，LSDl可作用于H3K9位点，从而激活转录。对于三甲基化似乎无法去甲基化，因此目前暂时认为三甲基化可能是真正永久不可逆的。

3.3 SET结构域

多数蛋白甲基转移酶都包含有SET结构域，含有SET结构域的蛋白主要功能是调节基因活性，但具体机制还不甚明确。一些植物中含有SET结构域蛋白的相关研究发现这些蛋白控制着组蛋白甲基转移酶类的活性，提示SET结构域可能是甲基转移酶类的重要组成部分。众所周知，核小体组蛋白在异染色体基因沉默中发挥关键作用，已有研究表明很多含有SET结构域的蛋白，如人Suv39H1和裂殖酵母Clr4，都具有组蛋白甲基转移酶活性，并在组蛋白甲基化导致基因沉默担当重要角色。

4 组蛋白甲基化对基因表达的调控作用

组蛋白甲基化的功能主要体现在异染色质形成、基因印记、X染色体失活和转录调控方面。目前发现24个组蛋白甲基化位点，其中17个位于赖氨酸，其他7个位于精氨酸。赖氨酸可以是单甲基化、双甲基化和三甲基化，精氨酸也可以是单甲基化或者双甲基化。如果把这3种甲基化状态都考虑在内，应该一共有3x1011种组蛋白甲基化组合状态，复杂的组合为组蛋白甲基化发挥功能调控作用提供更大的潜能。

4.1 组蛋白甲基化与异染色质形成

Suv39hl和suv39h2两种基因编码的甲基转移酶对异染色质的形成起重要作用，若将这两个基因同时突变，细胞中H3K9的甲基化会减少一半，这样出生的小鼠有丝分裂中染色体的分离有缺陷。在裂殖酵母中H3K9位点的甲基化可以将常染色质和异染色质在特定区域分开。在形成异染色质的过程中，Su(var)3—9与异染色质蛋白1(HPl)之间相互作用控制对方蛋白质的定位。有学者曾针对异染色质的形成提出过一个模型：首先组蛋白脱乙酰酶使H3中的K9、K14脱乙酰化，然后SUV39Hl对H3K9进行甲基化。H3K9的甲基化再影响DNA的甲基化，随后甲基化的H3K9

做为一个结合位点招募HPl蛋白的定位，最后HPl定位在间期核的异染色质区，参与染色体高级结构的形成，最终形成异染色质的多聚体。

4.2 组蛋白甲基化与基因印记