组蛋白修饰
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1. DNA损伤修复：
A. Homologous recombination(HR) B. Nonhomologous endjoining(NHEJ) A) 完整的DNA序列； B)双链断裂； C) NHEJ因子: (D) 修复因子与(E) 染色质重塑因子； F) 染色质重塑的构型 G) 增大NHEJ局部浓度； H) 直至修复
组蛋白的乙酰化
中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电， 能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得疏松， 从而导致基因的转录活化
HATs：转乙酰基酶
Br, bromodomain; Gcn5/PCAF Nr, nuclear receptorinteracting box; CH, cysteine/histidinerich module; KIX, phospho-CREB interacting module; Q, glutamine-rich p300/CBP domain.
H3磷酸化的功能：基因表达
H4S1的磷酸化
常染色质的H4S1被磷酸化之后 A. 直接形成致密的异染色质； B. 招募HP1，形成异染色质； C. 促使组蛋白异构体的替换。
HDACs
1. Class I：HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8 (定位于细 胞核) 2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能够在细胞核与胞质间转运) 3. Class III：Sirtuins (SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7)
合物的协同作用。
常染色质与异染色质
1. 常染色质：基因表达 活跃的区域，染色体结
构较为疏松
2. 异染色质：基因表达 沉默的区域，染色体结 构致密
核小体
常染色质
异染色质
组蛋白与核小体
组蛋白
• 有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4 • 富含带正电荷的碱性氨基酸（Arg和Lys）, 能 够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用 • 是一类小分子碱性蛋白质 • 组蛋白是已知蛋白质中最保守的
内容纲要
一、组蛋白的乙酰化 二、组蛋白的甲基化 三、组蛋白的磷酸化 四、组蛋白的泛素化 五、组蛋白的SUMO化 六、组蛋白密码
一、组蛋白的乙酰化
1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上； 2. 可逆的生化反应： A. Histone acetyltransferase，HAT (>30) B. Histone deacetylase, HDAC (18) 3. 分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与 DNA的排斥力 4. 生物学功能： A. 基因转录活化 B. DNA损伤修复
Jmjc proteins
JHDM1A: H3K36的去甲基酶, mono- & dir
JHDM2: H3K9的去甲基酶, mono- & dir
JHDM3/JMJD2: H3K9 or H3K36的di- & tri-me
组蛋白甲基化的遗传
PC: Polycomb；招募PRC2/EZH2，甲基化子染色质上 的H3K27; PR-SET7: H4K20特异性的转甲基酶，通过未知蛋白 质，修饰子染色质上的H4K20 表观遗传信息的传递！
去甲基酶使组蛋白失去甲基
甲基转移酶
Shi Y J, Lan F, Matson C, et al. Histone demethylation mediated by the nuclear amine oxidase homolog LSD1. Cell, 2004, 119 (7):941～953
第三章 组蛋白修饰
DNA Packing
1. 如何将10,000公里长的蚕
丝(半径~10-5米)装入一个篮
球中。 2. 蚕丝的体积：3.14*10-3m3 3. 折叠、缠绕…
染色体上不同的区域
Euchromatin: 常染色质；
Heterochromatin: 异染色质
E->H或H->E称为染色质重塑 (Chromatin Remodeling) 分子机理：DNA甲基化， 组蛋白修饰，染色质重塑复
精氨酸甲基化
Type-I enzymes (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4,PRTM6 and PRMT8): ω-NG, NG,-asymmetric dimethylarginines (aDMA) Type-II enzymes (PRMT5 and PRMT7): ω-NG, NG,-symmetric dimethylarginines (sDMA)
白, 转录沉默；
B. 组蛋白无乙酰化修饰, MBD结合甲基化的DNA,
百度文库
再与SET结合，甲基化组
蛋白; C. 甲基化的组蛋白尾部招 募DNMT，对基因长期沉 默
异染色质与常染色质的基因沉默
A. 异染色质沉默：组蛋白去 乙酰化；甲基化H3K9； 招募HP1；形成异染色质 B. 常染色质沉默：转录因子 E2F通过Rb招募HP1Suv29h1； Suv29h1甲基化H3K9； HP1与H3K9结合，沉默 基因的表达
三、组蛋白的磷酸化
1. 磷酸化：丝氨酸(S)/苏氨酸(T)
2. 转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化 3. H4S1的磷酸化：异染色质的形成 4. DNA repair: H2AX(组蛋白2A变异体 )磷酸化
H3的磷酸化
1. H3K10和H3K28的磷酸化
H3的磷酸化
1. IKKα磷酸化H3K10，促进NF-κB的表达； 2. MSK1 &MSK2: 促进c-fos & c-jun的表达
哈佛大学的分子生物学家施洋及其同 事在2004年12月16日的《细胞》杂志网络 版上报告：他们发现了一种组蛋白去甲基 酶，命名为"赖氨酸特异性去甲基酶 1(LSD1)"(lysine-specific demethylase 1)。 这种酶能使某种组蛋白尾部的一个氨基酸-赖氨酸失去甲基。某些类型的白血病、结 肠癌等疾病，被认为可能与错误的甲基化 过程有关，组蛋白去甲基酶可能成为颇有 潜力的药物标靶。
组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活
性变化的机制： ① 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白 携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的DNA链的亲 和性，导致局部DNA与组蛋白八聚体解开缠绕，从而 促使参与转录调控的各种蛋白因子与DNA特异序列结 合，进而发挥转录调控作用；
② 组蛋白的Ｎ末端尾巴可与参与维持染色质高级 结构的多种蛋白质相互作用，更加稳定了核小体的结 构。而组蛋白乙酰化却减弱了上述作用，阻碍了核小 体装配成规则的高级结构（如螺线管）； ③ 组蛋白乙酰基转移酶对相关的转录因子或活化 因子进行乙酰化修饰以调节基因的表达。
赖氨酸甲基化的功能
HP1:异染色质蛋白
HKMTs
A. HKMTs的家族成员 以及各自的底物识别特 异性； B. Methyl-lysine结合 蛋白质
HKMTs
除了Dot1外，都具有SET domain
组蛋白赖氨酸甲基化与转录
RNA polymerase II (Pol II)定位到基 因启动子区域，与H3K4 & H3K36的 甲基转移酶Set1, Set2 & Dot1相互作 用； Activator (Act) 招募Rad6-Bre1复合 物，并加载到Pol II上Rad6-Bre1泛素 化H2B，促使H3K4和H3K79的甲 基化； 转录延长过程中，Pol II的Ser2被磷 酸化，促使Set1分离下来； 第一轮转录后，基因被标记为H3K4, H3K36 & H3K79甲基化 H3K4被Chd1识别后结合，招募 SAGA复合物； SAGA复合物乙酰化组蛋白 转录保持激活
A. 基因转录活化
B. 基因转录沉默 C. X染色体失活
D. 异染色质致密状态(heterochromatin compaction)
精氨酸和赖氨酸甲基化的过程
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3×1011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。
Histone variants
组蛋白修饰
组蛋白修饰（2）
主要的功能基团
Acetyl
Methyl Phosphoryl Ubiquitin
Epigenetic differences：monozygotic twins
5mC
H4 乙酰化
H3 乙酰化
组蛋白共价修饰的功能
基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等
PRMTs调控基因转录
CARM1/PRMT4 (coactivator-associated arginine methyltransferase 1): 修饰H3R2, H3R17 & H3R26
组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系
A. MBD结合甲基化的DNA, 招募HDAC, 组蛋白去甲基 化, 招募HMT, 甲基化组蛋
赖氨酸甲基化
1. Mono-, di- or tri- methylation 2. H3K9 & H3K27的tri- methylation是沉默的异染色质的 主要特征 3. H3K9的di- methylation对于常染色质的基因表达是必 需的 4. H4K20的tri- methylation是癌症中的一个普遍现象 5. 有丝分裂期间，在动粒(centromere)附近的H3K9的 trimethylation负责保证染色体顺利完成分裂 6. 在活化基因的5’端和启动子区域，甲基化出现的模 式为： A. H4K20的mono- methylation B. H3K4的di- or tri- methylation C. H3K79的di- methylation
具有保守的HAT结构域
人类IFN-β基因的激活
A. DNA code: 序列模体、甲基化 模式 B. GCN5结合到启动子/增强子上 C. 修饰H4K8和H3K9 D. H3S10被RSK-2磷酸化，促使 GCN5修饰H3K14 E. SWI/SNF的BRG1特异性识别 H4K8;TFIID的TAFII250识别 H3K9和H3K14, 从而激活 IFN-β
去甲基化酶
肽酰基精氨酸脱亚胺酶
PADI4
Ca2+-dependent peptidylarginine deiminase，将 unmodified arginine and mono-methylated arginine转变成citrulline( 瓜氨酸)
LSD1
A. mono- or dimethylated H3K4和H3K9 D. 与Co-REST复合 物结合时，去除 H3K4的甲基化状 态，沉默基因表达 E. 与AR结合时，去 除H3K9的甲基化状 态，激活基因的表达
4. Class IV：HDAC11
Classical HDACs
HDAC复合物
乙酰化与去乙酰化
转录因子招募HDAC抑制基因表达；
招募HAT复合物激活基因表达。
HDAC Inhibitor
1. 主要针对Classical HDACs； 2. 激活保护性基因的表达 3. 抗肿瘤新药
组蛋白乙酰化对染色质结构及 基因转录的影响
蛋白质乙酰化调控基因转录
A. 乙酰化转录因子，使之与 DNA结合能力增强；
B. 转录因子活化的结构域招 募HATs复合物； C. HAT复合物乙酰化组蛋白， 打开染色质； D. 转录激活； E. HAT复合物中的共激活子 也被乙酰化修饰； F. HAT复合物乙酰化之后离 开，转录活性削弱。
组蛋白乙酰化：DNA repair
二、组蛋白的甲基化
1. 主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；
2. Long-term；
3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs. PRMTs (protein arginine methyltransferases)
4. 可逆的生化反应?
5. 分子效应：增加赖氨酸上的疏水力 6. 生物学功能：
A. Homologous recombination(HR) B. Nonhomologous endjoining(NHEJ) A) 完整的DNA序列； B)双链断裂； C) NHEJ因子: (D) 修复因子与(E) 染色质重塑因子； F) 染色质重塑的构型 G) 增大NHEJ局部浓度； H) 直至修复
组蛋白的乙酰化
中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电， 能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得疏松， 从而导致基因的转录活化
HATs：转乙酰基酶
Br, bromodomain; Gcn5/PCAF Nr, nuclear receptorinteracting box; CH, cysteine/histidinerich module; KIX, phospho-CREB interacting module; Q, glutamine-rich p300/CBP domain.
H3磷酸化的功能：基因表达
H4S1的磷酸化
常染色质的H4S1被磷酸化之后 A. 直接形成致密的异染色质； B. 招募HP1，形成异染色质； C. 促使组蛋白异构体的替换。
HDACs
1. Class I：HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8 (定位于细 胞核) 2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能够在细胞核与胞质间转运) 3. Class III：Sirtuins (SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7)
合物的协同作用。
常染色质与异染色质
1. 常染色质：基因表达 活跃的区域，染色体结
构较为疏松
2. 异染色质：基因表达 沉默的区域，染色体结 构致密
核小体
常染色质
异染色质
组蛋白与核小体
组蛋白
• 有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4 • 富含带正电荷的碱性氨基酸（Arg和Lys）, 能 够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用 • 是一类小分子碱性蛋白质 • 组蛋白是已知蛋白质中最保守的
内容纲要
一、组蛋白的乙酰化 二、组蛋白的甲基化 三、组蛋白的磷酸化 四、组蛋白的泛素化 五、组蛋白的SUMO化 六、组蛋白密码
一、组蛋白的乙酰化
1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上； 2. 可逆的生化反应： A. Histone acetyltransferase，HAT (>30) B. Histone deacetylase, HDAC (18) 3. 分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与 DNA的排斥力 4. 生物学功能： A. 基因转录活化 B. DNA损伤修复
Jmjc proteins
JHDM1A: H3K36的去甲基酶, mono- & dir
JHDM2: H3K9的去甲基酶, mono- & dir
JHDM3/JMJD2: H3K9 or H3K36的di- & tri-me
组蛋白甲基化的遗传
PC: Polycomb；招募PRC2/EZH2，甲基化子染色质上 的H3K27; PR-SET7: H4K20特异性的转甲基酶，通过未知蛋白 质，修饰子染色质上的H4K20 表观遗传信息的传递！
去甲基酶使组蛋白失去甲基
甲基转移酶
Shi Y J, Lan F, Matson C, et al. Histone demethylation mediated by the nuclear amine oxidase homolog LSD1. Cell, 2004, 119 (7):941～953
第三章 组蛋白修饰
DNA Packing
1. 如何将10,000公里长的蚕
丝(半径~10-5米)装入一个篮
球中。 2. 蚕丝的体积：3.14*10-3m3 3. 折叠、缠绕…
染色体上不同的区域
Euchromatin: 常染色质；
Heterochromatin: 异染色质
E->H或H->E称为染色质重塑 (Chromatin Remodeling) 分子机理：DNA甲基化， 组蛋白修饰，染色质重塑复
精氨酸甲基化
Type-I enzymes (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4,PRTM6 and PRMT8): ω-NG, NG,-asymmetric dimethylarginines (aDMA) Type-II enzymes (PRMT5 and PRMT7): ω-NG, NG,-symmetric dimethylarginines (sDMA)
白, 转录沉默；
B. 组蛋白无乙酰化修饰, MBD结合甲基化的DNA,
百度文库
再与SET结合，甲基化组
蛋白; C. 甲基化的组蛋白尾部招 募DNMT，对基因长期沉 默
异染色质与常染色质的基因沉默
A. 异染色质沉默：组蛋白去 乙酰化；甲基化H3K9； 招募HP1；形成异染色质 B. 常染色质沉默：转录因子 E2F通过Rb招募HP1Suv29h1； Suv29h1甲基化H3K9； HP1与H3K9结合，沉默 基因的表达
三、组蛋白的磷酸化
1. 磷酸化：丝氨酸(S)/苏氨酸(T)
2. 转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化 3. H4S1的磷酸化：异染色质的形成 4. DNA repair: H2AX(组蛋白2A变异体 )磷酸化
H3的磷酸化
1. H3K10和H3K28的磷酸化
H3的磷酸化
1. IKKα磷酸化H3K10，促进NF-κB的表达； 2. MSK1 &MSK2: 促进c-fos & c-jun的表达
哈佛大学的分子生物学家施洋及其同 事在2004年12月16日的《细胞》杂志网络 版上报告：他们发现了一种组蛋白去甲基 酶，命名为"赖氨酸特异性去甲基酶 1(LSD1)"(lysine-specific demethylase 1)。 这种酶能使某种组蛋白尾部的一个氨基酸-赖氨酸失去甲基。某些类型的白血病、结 肠癌等疾病，被认为可能与错误的甲基化 过程有关，组蛋白去甲基酶可能成为颇有 潜力的药物标靶。
组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活
性变化的机制： ① 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白 携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的DNA链的亲 和性，导致局部DNA与组蛋白八聚体解开缠绕，从而 促使参与转录调控的各种蛋白因子与DNA特异序列结 合，进而发挥转录调控作用；
② 组蛋白的Ｎ末端尾巴可与参与维持染色质高级 结构的多种蛋白质相互作用，更加稳定了核小体的结 构。而组蛋白乙酰化却减弱了上述作用，阻碍了核小 体装配成规则的高级结构（如螺线管）； ③ 组蛋白乙酰基转移酶对相关的转录因子或活化 因子进行乙酰化修饰以调节基因的表达。
赖氨酸甲基化的功能
HP1:异染色质蛋白
HKMTs
A. HKMTs的家族成员 以及各自的底物识别特 异性； B. Methyl-lysine结合 蛋白质
HKMTs
除了Dot1外，都具有SET domain
组蛋白赖氨酸甲基化与转录
RNA polymerase II (Pol II)定位到基 因启动子区域，与H3K4 & H3K36的 甲基转移酶Set1, Set2 & Dot1相互作 用； Activator (Act) 招募Rad6-Bre1复合 物，并加载到Pol II上Rad6-Bre1泛素 化H2B，促使H3K4和H3K79的甲 基化； 转录延长过程中，Pol II的Ser2被磷 酸化，促使Set1分离下来； 第一轮转录后，基因被标记为H3K4, H3K36 & H3K79甲基化 H3K4被Chd1识别后结合，招募 SAGA复合物； SAGA复合物乙酰化组蛋白 转录保持激活
A. 基因转录活化
B. 基因转录沉默 C. X染色体失活
D. 异染色质致密状态(heterochromatin compaction)
精氨酸和赖氨酸甲基化的过程
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3×1011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。
Histone variants
组蛋白修饰
组蛋白修饰（2）
主要的功能基团
Acetyl
Methyl Phosphoryl Ubiquitin
Epigenetic differences：monozygotic twins
5mC
H4 乙酰化
H3 乙酰化
组蛋白共价修饰的功能
基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等
PRMTs调控基因转录
CARM1/PRMT4 (coactivator-associated arginine methyltransferase 1): 修饰H3R2, H3R17 & H3R26
组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系
A. MBD结合甲基化的DNA, 招募HDAC, 组蛋白去甲基 化, 招募HMT, 甲基化组蛋
赖氨酸甲基化
1. Mono-, di- or tri- methylation 2. H3K9 & H3K27的tri- methylation是沉默的异染色质的 主要特征 3. H3K9的di- methylation对于常染色质的基因表达是必 需的 4. H4K20的tri- methylation是癌症中的一个普遍现象 5. 有丝分裂期间，在动粒(centromere)附近的H3K9的 trimethylation负责保证染色体顺利完成分裂 6. 在活化基因的5’端和启动子区域，甲基化出现的模 式为： A. H4K20的mono- methylation B. H3K4的di- or tri- methylation C. H3K79的di- methylation
具有保守的HAT结构域
人类IFN-β基因的激活
A. DNA code: 序列模体、甲基化 模式 B. GCN5结合到启动子/增强子上 C. 修饰H4K8和H3K9 D. H3S10被RSK-2磷酸化，促使 GCN5修饰H3K14 E. SWI/SNF的BRG1特异性识别 H4K8;TFIID的TAFII250识别 H3K9和H3K14, 从而激活 IFN-β
去甲基化酶
肽酰基精氨酸脱亚胺酶
PADI4
Ca2+-dependent peptidylarginine deiminase，将 unmodified arginine and mono-methylated arginine转变成citrulline( 瓜氨酸)
LSD1
A. mono- or dimethylated H3K4和H3K9 D. 与Co-REST复合 物结合时，去除 H3K4的甲基化状 态，沉默基因表达 E. 与AR结合时，去 除H3K9的甲基化状 态，激活基因的表达
4. Class IV：HDAC11
Classical HDACs
HDAC复合物
乙酰化与去乙酰化
转录因子招募HDAC抑制基因表达；
招募HAT复合物激活基因表达。
HDAC Inhibitor
1. 主要针对Classical HDACs； 2. 激活保护性基因的表达 3. 抗肿瘤新药
组蛋白乙酰化对染色质结构及 基因转录的影响
蛋白质乙酰化调控基因转录
A. 乙酰化转录因子，使之与 DNA结合能力增强；
B. 转录因子活化的结构域招 募HATs复合物； C. HAT复合物乙酰化组蛋白， 打开染色质； D. 转录激活； E. HAT复合物中的共激活子 也被乙酰化修饰； F. HAT复合物乙酰化之后离 开，转录活性削弱。
组蛋白乙酰化：DNA repair
二、组蛋白的甲基化
1. 主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；
2. Long-term；
3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs. PRMTs (protein arginine methyltransferases)
4. 可逆的生化反应?
5. 分子效应：增加赖氨酸上的疏水力 6. 生物学功能：