组蛋白修饰及其功能(乙酰化,甲基化,磷酸化等)-于凯
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组蛋白修饰及其功能
表观遗传学（epigentics）是研究不改变DNA序列而由于其外 部修饰引起的基因开放与否的学科，涉及的主要机制有DNA甲基 化、组蛋白修饰、基因印记、RNA干扰等。其中研究得最多是 DNA甲基化和组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化，这些修饰与活化或 失活染色质的结构形成相关。
染色质是由许多核小体组成的，大部分真核生物中有5种富含 碱性氨基酸的组蛋白，即H1，H2A，H2B，H3和H4。H2A，H2B， H3和H4各2个分子构成的8聚体是核小体的核心部分，H1的作用是 与线形 DNA结合以帮助后者形成高级结构。
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局部乙酰化举例
当DNA与核小体尚未解开缠绕时，转录激活因子如糖皮质激素受体可以和DNA上相 应的反应元件（GRE）结合。当结合至GRE之后，糖皮质激素募集共激活因子如CBP到染 色体上的靶转录基因区。此时，共激活因子利用HAT活性使得结合在DNA启动子区域的核 心组蛋白乙酰化，进而使DNA与组蛋白结合减弱，核小体释放，转录因子和RNA聚合酶可 以与DNA上特异的启动子结合，启动靶基因的转录。
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2. 组蛋白的甲基化
组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histone methyl transferase，HMT）完成的。甲基化可发生在组 蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够 发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲 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。
研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态 的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精 氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲 基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。
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组蛋白甲基化的调节机制
1. H3-K9甲基化与异染色质的形成：人们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Suv39h1或Clr4对H32K9进行甲基化,H32K9的甲基 化再影响DNA的甲基化,随后甲基化的H32K9做为一个结合位点招募HP1或Swi6蛋白的定位, 最后HP1/Swi6通过它们的shadow染色质结合区域定位在C末端,进而形成异染色质的多聚体。 2. H32K9甲基化对常染色体中基因表达调控的影响： 3. 组蛋白其他位点上发生甲基化与基因表达的关系：大量实验表明H32K9甲基化的功能与基 因沉默有关，但其它位点甲基化可能存在激活转录作用。 4. 组蛋白甲基化与DNA甲基化：H32K9的甲基化可以直接或间接影响DNA 的甲基化，DNA 甲基化可能是组蛋白甲基化的间接结果
组蛋白不同修饰之间的关系 乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在活性染 色质和非活性染色质中都存在。组蛋白H3K9的甲基化在调节基因 表达、染色质组装和异染色质形成过程发挥重要作用。H3S10的 短暂磷酸化足以使H3K9甲基化引起的染色质浓缩变得疏松。这是 一个两种组蛋白同时调节染色质组装状态的例子：稳定的甲基化 和动态的磷酸化标记。
组蛋白翻译完成后，其氨基尾巴会发生多种共价修饰，如乙 酰化、甲基化、磷酸化，泛素化和ADP核糖基化等，这些修饰都 是可逆性修饰，这些修饰共同构成了“组蛋白密码”。
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1. 组蛋白乙酰化
核心组蛋白乙酰化反应多发生在核心组蛋白 N端碱性氨基 酸集中区的特定 Lys 残基。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶 （histone acetyltransferase，HATБайду номын сангаас和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）协调进行。HAT通过将乙酰辅酶 A 的乙酰 基转移到 Lys 的NH+，中和掉一个正电荷。 HDAC使组蛋白去 乙酰化，与带负电荷的DNA紧密结合，染色质致密卷曲，基因 的转录受到抑制。
通常，异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，常染色质结构 域组蛋白呈高乙酰化。
酵母组蛋白乙酰化与去乙酰化的调节
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组蛋白乙酰化调节转录的机制
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； 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（HAT）对相关转录因子或活化因子进行乙酰化修饰以调节基因的表 达。如 CBP／P300对P53的乙酰化可增强其特异性 DNA结合能力、转录激活能力，并延长其 半衰期。
分子效应：乙酰化可能通过对组蛋白电荷以及相互作用蛋 白的影响，增加组蛋白与DNA的排斥力，来调节基因转录。组 蛋白的乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离，核小体结构 松弛，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点 特异性结合，激活基因的转录。同时影响泛素与组蛋白的H2A 的结合，导致蛋白质的选择性降解。
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组蛋白修饰的生物学意义
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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。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。
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3. 组蛋白的磷酸化
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组蛋白共价修饰间的关系
组蛋白的其他修饰方式 相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定的表观遗传信息。而 乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他不稳定的修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素 化、ADP核糖基化等等。这些修饰更为灵活的影响染色质的结构与功能，通过多种修饰方式 的组合发挥其调控功能。
有丝分裂过程也与特异性组蛋白修饰有显著的相关性。在有丝分裂过程中，有数个组蛋白磷酸化反 应，其中大多数由Aurora B激酶催化。特异性组蛋白修饰可在有丝分裂的不同阶段检测到，在细胞 核分裂中发挥多种功能。
表观遗传学（epigentics）是研究不改变DNA序列而由于其外 部修饰引起的基因开放与否的学科，涉及的主要机制有DNA甲基 化、组蛋白修饰、基因印记、RNA干扰等。其中研究得最多是 DNA甲基化和组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化，这些修饰与活化或 失活染色质的结构形成相关。
染色质是由许多核小体组成的，大部分真核生物中有5种富含 碱性氨基酸的组蛋白，即H1，H2A，H2B，H3和H4。H2A，H2B， H3和H4各2个分子构成的8聚体是核小体的核心部分，H1的作用是 与线形 DNA结合以帮助后者形成高级结构。
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局部乙酰化举例
当DNA与核小体尚未解开缠绕时，转录激活因子如糖皮质激素受体可以和DNA上相 应的反应元件（GRE）结合。当结合至GRE之后，糖皮质激素募集共激活因子如CBP到染 色体上的靶转录基因区。此时，共激活因子利用HAT活性使得结合在DNA启动子区域的核 心组蛋白乙酰化，进而使DNA与组蛋白结合减弱，核小体释放，转录因子和RNA聚合酶可 以与DNA上特异的启动子结合，启动靶基因的转录。
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2. 组蛋白的甲基化
组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histone methyl transferase，HMT）完成的。甲基化可发生在组 蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够 发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲 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。
研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态 的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精 氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲 基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。
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组蛋白甲基化的调节机制
1. H3-K9甲基化与异染色质的形成：人们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Suv39h1或Clr4对H32K9进行甲基化,H32K9的甲基 化再影响DNA的甲基化,随后甲基化的H32K9做为一个结合位点招募HP1或Swi6蛋白的定位, 最后HP1/Swi6通过它们的shadow染色质结合区域定位在C末端,进而形成异染色质的多聚体。 2. H32K9甲基化对常染色体中基因表达调控的影响： 3. 组蛋白其他位点上发生甲基化与基因表达的关系：大量实验表明H32K9甲基化的功能与基 因沉默有关，但其它位点甲基化可能存在激活转录作用。 4. 组蛋白甲基化与DNA甲基化：H32K9的甲基化可以直接或间接影响DNA 的甲基化，DNA 甲基化可能是组蛋白甲基化的间接结果
组蛋白不同修饰之间的关系 乙酰化一般是活性染色质的标志，而甲基化和磷酸化则在活性染 色质和非活性染色质中都存在。组蛋白H3K9的甲基化在调节基因 表达、染色质组装和异染色质形成过程发挥重要作用。H3S10的 短暂磷酸化足以使H3K9甲基化引起的染色质浓缩变得疏松。这是 一个两种组蛋白同时调节染色质组装状态的例子：稳定的甲基化 和动态的磷酸化标记。
组蛋白翻译完成后，其氨基尾巴会发生多种共价修饰，如乙 酰化、甲基化、磷酸化，泛素化和ADP核糖基化等，这些修饰都 是可逆性修饰，这些修饰共同构成了“组蛋白密码”。
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1. 组蛋白乙酰化
核心组蛋白乙酰化反应多发生在核心组蛋白 N端碱性氨基 酸集中区的特定 Lys 残基。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶 （histone acetyltransferase，HATБайду номын сангаас和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）协调进行。HAT通过将乙酰辅酶 A 的乙酰 基转移到 Lys 的NH+，中和掉一个正电荷。 HDAC使组蛋白去 乙酰化，与带负电荷的DNA紧密结合，染色质致密卷曲，基因 的转录受到抑制。
通常，异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，常染色质结构 域组蛋白呈高乙酰化。
酵母组蛋白乙酰化与去乙酰化的调节
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组蛋白乙酰化调节转录的机制
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； 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（HAT）对相关转录因子或活化因子进行乙酰化修饰以调节基因的表 达。如 CBP／P300对P53的乙酰化可增强其特异性 DNA结合能力、转录激活能力，并延长其 半衰期。
分子效应：乙酰化可能通过对组蛋白电荷以及相互作用蛋 白的影响，增加组蛋白与DNA的排斥力，来调节基因转录。组 蛋白的乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离，核小体结构 松弛，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点 特异性结合，激活基因的转录。同时影响泛素与组蛋白的H2A 的结合，导致蛋白质的选择性降解。
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组蛋白修饰的生物学意义
11
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。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。
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3. 组蛋白的磷酸化
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组蛋白共价修饰间的关系
组蛋白的其他修饰方式 相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定的表观遗传信息。而 乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他不稳定的修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素 化、ADP核糖基化等等。这些修饰更为灵活的影响染色质的结构与功能，通过多种修饰方式 的组合发挥其调控功能。
有丝分裂过程也与特异性组蛋白修饰有显著的相关性。在有丝分裂过程中，有数个组蛋白磷酸化反 应，其中大多数由Aurora B激酶催化。特异性组蛋白修饰可在有丝分裂的不同阶段检测到，在细胞 核分裂中发挥多种功能。