第八讲 DNA甲基化与组蛋白修饰2010

提 纲
• • • • • 组蛋白的甲基化； 组蛋白的乙酰化； 组蛋白乙酰化的生物学意义 ； DNA甲基化； DNA甲基化与医学。
在最近的几年，我们对异 染色质的认识有了长足的进展， 发现一些生化修饰对于异染色 质的形成及其逆转和DNA的 转录起到关键作用。这些修饰 主要包括组蛋白修饰（包括甲 基化、乙酰化、磷酸化等）和 DNA的甲基化。
最近，美国一项临床研究发 现， 组蛋白甲基化在前列腺癌患 者标本中比例很高，估计其他肿 瘤中也可能有相似发现。另外， 还有报道缺乏甲基的饮食会导致 组蛋白甲基化程度低，这类人群 发生肿瘤的比例较正常人群高. 这 也提示组蛋白甲基化可能与肿瘤 发生有关。
组蛋白甲基化研究尚处起步阶段， 不同甲基化位点的具体功能还没有明确。 组蛋白甲基化与其他表观遗传学修饰方 式的关系尚未涉及。异常甲基化与肿瘤 和其他疾病的关系也未阐明。缺乏甲基 的饮食导致肿瘤的具体机制依然不清楚。 组蛋白去甲基化酶的具体功能和作用机 理仍需进一步探讨，其他新的去甲基化 酶也丞待发。随着组蛋白甲基化研究的 深入，必将为分子生物学、遗传学和肿 瘤学的发展提供新的思路 。
这种常见的组蛋白外在修饰作用包 括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、 糖基化、ADP核糖基化、羰基化等等， 它们都是组蛋白密码的基本元素。与 DNA密码不同的是，组蛋白密码在动物、 植物和真菌类中是不同的。我们从植物 细胞保留有发育成整个植株的全能性和 去分化的特性中，就可以看出它们在建 立和保持表观遗传信息方面与动物是不 同的。
过去发现一些组蛋白可以快速的乙 酰化，然后又去乙酰化以使基因表达受 到调控。但是，人们一直都认为甲基化 作用是一种不可逆的过程。最新的研究 发现，甲基化作用是可逆的，组蛋白可 以发生去甲基化作用。有一种酶会对组 蛋白中赖氨酸和精氨酸甲基化作用进行 去除。这重新定义了组蛋白甲基化的本 质，同时也让组蛋白修饰通路更加复杂 化了。
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。
局部乙酰化和广泛乙酰化模式
组蛋白乙酰化状态呈多样性。与启动子 结合的激活因子可募集相应的HATs引起局 部组蛋白的乙酰化；而增强子或基因座位控 制区LCR结合的活化因子则可募集HATs引 起广泛乙酰化。广泛乙酰化使组蛋白维持在 一个较高的乙酰化水平，干扰染色质高级结 构的折叠，使其不能形成紧密的结构。因此 推测，广泛乙酰化为基因表达建立了一个稳 定的基础；而局部乙酰化则是基因对细胞外 信号的瞬时反应。
在真核细胞中，组蛋白乙酰 化／去乙酰化对染色质结构及基 因转录的调控可能是一个多层次、 多步骤的复杂过程。对这一领域 的研究对于进一步阐明基因表达 调控的机制，明确肿瘤等相关疾 病发病的分子机制以及治疗方法 等方面有着重大的意义。
组蛋白的甲基化
组蛋白的甲基化（histone methylation） 由组蛋白甲基转移酶介导催化。甲基化修饰 通常发生在组蛋白的N端尾部结构域。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。最重要 的效应之一就是导致基因的转录功能丧失。 甲基化位点多位于H3、H4的赖氨酸和精氨 酸残基上，组蛋白H3氨基尾段上的K4和K9 便是其中的两个甲基化的常发位点。不同位 点上甲基化，由不同的酶所负责。
在组蛋白的修饰中，乙酰化、甲基 化研究最多。乙酰化修饰大多在组蛋白 H3的Lys 9、14、18、23和H4的Lys 5、 8、12、16等位点。对这两种修饰结果的 研究显示，它们既能激活基因也能使基 因沉默。甲基化修饰主要在组蛋白H3和 H4的赖氨酸和精氨酸两类残基上。研究 也显示，在进化过程中组蛋白甲基化和 DNA甲基化两者在机能上被联系在一起。
表观遗传修饰
• • • • • • DNA甲基化(DNA methylation) 组蛋白修饰(histone modifications) 染色质重塑(chromatin remodeling) 基因组印记(genomic imprinting) RNA相关沉默(RNA interference) 隔离子(insulator)、边界(boulidary)、核区室化 (compartment) • 副突变(paramutation) • 位置效应(position effect variegation) • X染色体剂量补偿(X-chromosome dose compensation)
引入乙酰基
乙酰基转移酶
去乙酰化酶
赖氨酸
组蛋白乙酰化对染色质结构及 基因转录的影响 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至少包括以 下几个方面： 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；
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
组蛋白密码
染色体的多级折叠过程中，需要DNA同 组蛋白(H3、H4、H2Ａ、H2B和H1)结合在 一起。研究中，人们发现组蛋白在进化中是 保守的，但它们并不是通常认为的静态结构。 组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而 提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA的 结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转 录调控成分，称为组蛋白密码(histonecode)。
• 所谓组蛋白密码就是对结合DNA的组蛋白 进行一系列修饰,从而影响某些基因何时以 及以何种方式被打开或关闭。组蛋白密码 信息存在于转录后组蛋白修饰等过程中， 这些修饰的多样性、整体性及生物学功能 的多样性表明存在这样一种组蛋白密码。 组蛋白修饰作为一种重要的表观标志 ，与 其他表观标志之间也存在一定的联系 ，构 成了一个复杂的网络。组蛋白密码大大丰 富了传统遗传密码的信息含量 。组蛋白氨 基末端的多样化修饰扩充了遗传密码的信 息库。
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组蛋白的甲基化（methylation）； 组蛋白核糖基化 (ribosylation) ； 组蛋白的乙酰基化（acetylation）； 组蛋白磷酸化（phosphorylation）； 组蛋白泛酸化（obiquitination）。
每个组蛋白都有进化上保守的N 端拖尾伸出核小体外。这些拖尾是 许多信号传导通路的靶位点，从而 导致转录后修饰。该类修饰包括组 蛋白磷酸化、乙酰化、甲基化、 ADP-核糖基化等过程。尤其是组蛋 白乙酰化、甲基化修饰能为相关调 控蛋白提供其在组蛋白上的附着位 点，改变染色质结构和活性。
组蛋白甲基化与疾病 SET 结构域存在于许多与肿瘤发 生相关的人类基因之中。过去10年的 研究发现，具有此结构域的基因多数 都发挥肿瘤抑制的功能。最近发现组 蛋白甲基转移酶也具有SET结构域， 那么很自然地推测组蛋白甲基转移酶 是否也具有肿瘤抑制的功能？
RIZ1(PRDM2) 具有H3K9 位甲基 转移酶活性。研究发现，在某些肿瘤 中，例如：乳腺癌、肝癌、结肠癌、 神经母细胞瘤、脊髓瘤、肺癌和骨肿 瘤中，该基因发生突变而失去活性， 而其失活又引起G2-M 期的细胞周期延 长，调亡抑制，因此推测H3K9位组蛋 白甲基转移酶可能具有肿瘤抑制功能， 它的功能缺失可能参与癌症的发生有 关。
DNA甲基化 与 组蛋白修饰
佳木斯大学
2010 /03
基因表 达模式
一个多细胞生物 机体的不同类型 细胞
相同的基因型
不同的表型
表观遗传是指在DNA序列没有发 生变异的情况下，基因表达的可遗 传的改变。它主要通过对DNA或组 蛋白的共价修饰（如DNA甲基化， 组蛋白乙酰化），同源性的基因沉 默（即一个基因被另一个与其同源 的基因所抑制），副突变 (paramutation)和亲本印迹，RNA编 辑，蛋白异构体引起类似显性遗传 等机制而产生的。
但是，核小体的结构也成为各 类转录因子与DNA结合的主要障碍。 越来越多的实验证据表明，染色质 和核小体构型的改变在转录的起始 中起到重要的调控作用。现已知有 ３种机制参与染色质构型的改变： ① 依赖于ATP的染色质重构；② 组 蛋白移位；③ 染色质的共价修饰 （covalent chromatin modification）。
核小体是真核细胞染色质的基本结 构单位。每个核小体由4种核心组蛋白构 成异源八聚体和缠绕在八聚体之外的约 200bp 的DNA组成。这种结合是依靠作 用于DNA磷酸骨架小沟区的静电引力来 实现的。由于静电引力的作用，DNA链 围绕组蛋白形成螺旋和扭曲，这恰好使 DNA双螺旋的小沟区连成一条沟道，组 蛋白弯曲的尾巴得以穿过其中，于核小 体外与DNA作用，更加稳定了核小体的 结构。
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。
组蛋白去乙酰基酶
组蛋白乙酰化为一可逆过程，乙酰 化和去乙酰化的动态平衡控制着染色质 的结构和基因表达。迄今为止，已有很 多种类的组蛋白去乙酰基酶（HDACs） 在不同的物种中被鉴定出来，它们具有 不同的功能。人的HDACs主要分为3类。 HDACs与HATs一样也存在于复合物中， 复合物形式可调节其本身的酶活性。
每个组蛋白都有进化上保守的N 端拖尾伸出核小体外。这些拖尾是许 多信号传导通路的靶位点，从而导致 转录后修饰。该类修饰包括组蛋白磷 酸化、乙酰化、甲基化、ADP-核糖基 化等过程。尤其是组蛋白乙wk.baidu.com化、甲 基化修饰能为相关调控蛋白提供其在 组蛋白上的附着位点，改变染色质结 构和活性。
一般来说，组蛋白乙酰化能选择 性的使某些染色质区域的结构从紧密 变得松散，开放某些基因的转录，增 强其表达水平。而组蛋白甲基化既可 抑制也可增强基因表达。乙酰化修饰 和甲基化修饰往往是相互排斥的。在 细胞有丝分裂和凋亡过程中，磷酸化 修饰能调控蛋白质复合体向染色质集 结。
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。
HDACs在转录抑制中具有重要 作用。HDACs抑制基因转录的分子 机制主要是靠某些转录因子与DNA 序列结合后，募集HDACs 并与之形 成转录复合物，HDACs作用于相应 的组蛋白而调节基因转录。虽然 HDACs主要抑制基因的转录，但最 近的研究显示酵母的第一类去乙酰 基酶Hos2参与基因的活化。
其中染色质的共价修饰既可发生 在DNA 上也可发生在组蛋白上。 DNA的修饰主要是胞嘧啶的甲基化， 而组蛋白的共价修饰则包括乙酰化、 磷酸化、甲基化、泛素化、ADP—核 糖化，由此构成多种多样的组蛋白密 码。不同的调节机制间互相串换，以 一种共同协作的状态来完成对染色质 结构的调控。
组蛋白的翻译后修饰
组蛋白乙酰化／去乙酰化
在真核生物染色质核小体中的组蛋 白，其N末端氨基酸残基可发生乙酰化 等共价修饰。组蛋白的乙酰化是一可逆 的动态过程，而其稳定状态的维持则是 多种组蛋白乙酰基转移酶（HATs）和去 乙酰基酶（HDACs）共同作用的结果。 这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色质 结构发生动态的改变，并对基因的转录 产生相应的影响。