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组蛋白修饰

时间:2022-05-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:组蛋白上能发生共价修饰的氨基酸残基称为修饰位点。组蛋白修饰最基本的作用是调控基因表达。如果将组蛋白修饰与经典DNA信息转录作一个类比,蛋白复合体就像是tRNA。它的转移酶活性携带组蛋白修饰信息,而它的特殊结构域则如同反密码子起到识别作用。结构域的识别功能使组蛋白修饰之间的级联得以形成。通常情况下,组蛋白乙酰化修饰通过打开染色质使基因的表达增强。

第3节 组蛋白修饰

组蛋白是核小体的重要结构组分,每个核小体包括一个八聚体的组蛋白(两分子的H2A-H2B二聚体,两分子的H3和两分子的H4)以及缠绕其上1.75圈的长约146bp的DNA,核小体之间以40~60bp的DNA连接,组蛋白H1与之结合。八聚体的三维结构为球状,而组蛋白亚基的氨基端则游离出来,称为氨基端尾巴(或组蛋白尾巴)。氨基端尾巴上的许多残基可以被共价修饰,不同位点上的不同修饰可形成大量特殊信号,类似各种不同的密码,供其他蛋白质识别,并影响一系列相关蛋白质的活动,最终调控真核生物基因表达,这就是“组蛋白密码”学说。简单地说,组蛋白密码就是通过对组蛋白进行共价修饰来调控基因表达的过程,进而产生多种生物学效应。

一、组蛋白修饰的类型及生物学效应

组蛋白上能发生共价修饰的氨基酸残基称为修饰位点。修饰位点一般位于4种常见组蛋白(H2A、H2B、H3和H4,尤其是H3和H4)的游离氨基端尾巴上,常见的修饰种类包括组蛋白乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化,以及研究较少的SUMO(small ubiquitin-related modifier)化、生物素化等。其中,组蛋白甲基化最容易发生在H3K(表示H3上的Lys)和H3R上;泛素化(ubiquitylation)一般发生在H2A和H2B的氨基端残基上,H2AK119(表示H2A上第119位Lys)和H2BK120、H2BK123是泛素化的相对保守位点;乙酰化在4种组蛋白上都可发生,其中尤以Lys的乙酰化为常见;磷酸化则较少,已知的修饰位点有H3T3、H3S10和H3S28等。

组蛋白修饰最基本的作用是调控基因表达。如组蛋白甲基化多导致基因沉默,去甲基化则相反;乙酰化一般使转录激活,而去乙酰化则相反。当然,也可在此基础上产生复杂的生物学效应。如组蛋白去乙酰化酶HDAC可影响免疫系统;H3K4me3、H3K9me2能够调控记忆的形成,而且H3K甲基化与X染色体失活、基因组印记和异染色质形成有关;H3乙酰化通过多种机制调控依赖ATP的染色质重塑,并参与炎症反应;H2A、H2B泛素化则与DNA损害反应有关;而H3S28磷酸化与H3K27乙酰化可激活转录并拮抗聚梳基因polycomb沉默。另外,磷酸化不仅是某些信号转导通路的重要中间步骤,而且常与其他类型的修饰互相作用,共同参与细胞分裂、影响细胞周期,因而组蛋白磷酸化也逐渐受到研究人员的重视。

二、蛋白复合体

共价修饰组蛋白的蛋白质一般以复合体的形式发挥作用。蛋白复合体在组蛋白密码的形成中至关重要,它至少需要拥有两种功能,即转移酶活性和识别功能。前者修饰组蛋白,形成某种“密码”;后者则扮演“密码破译”的角色。如果将组蛋白修饰与经典DNA信息转录作一个类比,蛋白复合体就像是tRNA。它的转移酶活性携带组蛋白修饰信息,而它的特殊结构域则如同反密码子起到识别作用。所以,对蛋白复合体结构的深入研究将可能在破解组蛋白密码中发挥至关重要的作用。

蛋白复合体往往只是某单一亚基发挥酶活性来转移或者脱去甲基、乙酰基等基团,其他亚基则发挥辅助因子作用。依据修饰类型不同可对常见蛋白复合体进行如下分类:乙酰化酶与去乙酰化酶、甲基化酶与去甲基化酶、泛素化酶与去泛素化酶、磷酸化酶等。

如果将组蛋白修饰称为“组蛋白密码”,那么蛋白复合体的特殊结构域就可以称为解读者(readers)。蛋白复合体的识别作用是通过它的特殊结构域实现的。特殊结构域是指蛋白质的空间结构上距离较近的氨基酸残基所形成的特殊结构,它可以通过疏水作用或静电作用等方式与被共价修饰的组蛋白发生相互作用。这种相互作用也被称为结构域的“识别”功能。

结构域的识别功能使组蛋白修饰之间的级联得以形成。在信号因子的刺激下,蛋白复合体对组蛋白进行定点的共价修饰,这种修饰可以被另一种酶复合体的特异结构域所识别并结合,引发新一轮的修饰或者去修饰,以此类推,各种修饰相互作用形成一种级联系统将信号放大(而去修饰则意味着信号的终止)。级联是组蛋白修饰最鲜明的特点,是组蛋白密码的核心,也是小小一个氨基酸残基的共价修饰能产生复杂生物学效应的基础。总的来讲,单一的蛋白复合体可以在组蛋白、核小体、核小体与核小体之间这三个不同层次上发挥作用。一个经典的例子是H3K9甲基化修饰引起的基因沉默。在信号因子的作用下,组蛋白甲基转移酶Su(var)3-9对H3K9进行甲基化修饰,H3K9甲基化可被异染色质蛋白1(HP-1)的chromo结构域所识别并结合形成(Var)3-9/HP-1复合体,复合体可以控制cyclinE启动子,抑制基因转录。而Su(var)3-9/HP-1首先要被RB蛋白招募,才能发挥作用。

三、组蛋白的乙酰化和去乙酰化

组蛋白是碱性蛋白质,通常带正电荷,能与带负电荷的DNA分子结合,从而遮蔽了DNA分子,妨碍了转录。组蛋白乙酰化是最早被发现的与转录有关的组蛋白修饰方式,它的发生是由于组蛋白乙酰基转移酶(histone acetyl transferases,HATs)将乙酰CoA的乙酰基转移到组蛋白N末端上特定赖氨酸残基的ε-氨基基团。常见的保守乙酰化修饰大多在组蛋白H3的K9、K14、K18、K23和H4的K5、K8、K12、K16等位点上。

目前发现的真核细胞的组蛋白乙酰化酶有多种类型,根据结构特点的不同,乙酰化酶分为三大家族:GNAT(Gcn5相关N乙酰化转移酶)、MYST(MOZ、Ybf2/Sas3、Sas2和Tip60)和P300/CBP(CREB结合蛋白)。

通常情况下,组蛋白乙酰化修饰通过打开染色质使基因的表达增强。相应基因调节区的乙酰化程度不足将会引起基因沉默。乙酰化可能通过电荷机制来达到调节基因表达,而甲基化可能通过疏水作用。组蛋白的乙酰化可以阻遏染色质的折叠,因为乙酰化可能中和赖氨酸上的正电荷。这时DNA分子本身所带有的负电荷有利于DNA构象的展开,核小体的结构变得松弛。这种松弛的结构促进了转录因子和协同转录因子与DNA分子的接触,因此组蛋白乙酰化可以激活特定基因的转录过程。如H4K16乙酰化就可以导致部分染色质的非折叠。H4K16乙酰化被发现可以减少H4尾部形成α螺旋的倾向,调解其他分子与K16的相互作用,更重要的是,H4K16乙酰化可以通过减少特异的离子键和长距离的静电相互作用,使其他分子与H4尾部结合的稳定性降低。

组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDAC)催化了组蛋白的去乙酰化,它们通常与一些辅抑制因子形成大的转录抑制复合物。HDAC分三个家族:与酵母Rpd3同源的Ⅰ类,包括HDAC1、HDAC2、HDAC3、HDAC8;与酵母Hdal同源的Ⅱ类,包括HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9、HDAC10;与酵母Sir2同源的Ⅲ类是SIRT1~SIRT7。Ⅰ类HDAC主要通过与Sin3、Mi2、NCoR/SMRT等因子形成相关的转录抑制复合物,除去修饰组蛋白的乙酰基,使组蛋白尾端带正电荷的赖氨酸残基更加暴露,而带正电荷的组蛋白尾部与DNA之间的相互作用限制了核小体在DNA上的移动,使启动子不易接近转录调控元件,从而导致基因特异性的转录抑制。

有学者提出,调控HAC和HDAC的机制主要分为三类,即调节酶量、调节酶活性、调节与特异性转录因子相互作用,而调节表达量是简单易行的调节方式。如组蛋白过乙酰化可诱导Hdac1基因mRNA的转录水平,这表明体内组蛋白乙酰化水平受到一定的反馈调节。另外,HATs和HDACs的酶活性还能通过改变它们的亚细胞定位或者与特定转录因子相互作用的能力来进行调节。而组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDI)可以通过抑制HDAC活性提高组蛋白乙酰化水平。由此可见,组蛋白相同残基乙酰化和去乙酰化之间的调节主要是通过对HAT和HDAC的调节实现的。

四、组蛋白的甲基化

组蛋白甲基化是指在组蛋白N末端尾部发生的甲基化修饰,是在组蛋白甲基转移酶(his-tone methl transferase,HMTs)的作用下,将S-腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到靶蛋白赖氨酸残基末端的氨基或是精氨酸残基末端的胍基的过程。组蛋白甲基转移酶是由一类含有SET结构域的蛋白质组成,可分为组蛋白精氨酸甲基转移酶(HRMTs)和组蛋白赖氨酸甲基转移酶(HKMTs)两个家族。HRMTs分为两型,即Ⅰ型催化精氨酸发生单甲基化和不对称的双甲基化,Ⅱ型催化精氨酸发生单甲基化和对称的双甲基化。HKMTs分为含有赖氨酸特异性SET区的HMTs以及不含赖氨酸特异性SET区的HMTs两大类。赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化,赖氨酸甲基化是基因表达调控较为稳定的修饰,作用也较复杂。精氨酸残基能够发生单、双甲基化。反应最初产生单甲基化精氨酸,也可连续两次催化得到双甲基化精氨酸。

近年来,人们逐渐鉴定出了一系列组蛋白甲基化修饰位点。组蛋白赖氨酸甲基化修饰通常发生在组蛋白H3赖氨酸4位、9位、27位、36位、79位残基(H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79),以及组蛋白H4赖氨酸20位残基(H4K20)上。通常认为H3K4、H3K36、H3K79的甲基化修饰介导基因转录活化,而H3K9、H3K27、H4K20的甲基化修饰介导转录抑制。精氨酸甲基化修饰通常发生在组蛋白H3精氨酸2位、8位、17位、26位残基(H3R2、H3R8、H3R17、H3R26),及组蛋白H4精氨酸3位残基(H4R3)上。

下面介绍几种赖氨酸甲基化。

(1)H3K4甲基化通常被认为是基因的活化信号,主要分布在常染色质区转录活化基因的启动子区,在转录起始和延伸过程中都发挥了重要的作用。目前发现的可以催化H3K4位点甲基化的酶主要为MLL(mixed lineage leukemia)家族蛋白,包括MLL1、MLL2、MLL3、MLL4、SETlA、SET1B以及ASH1。现有的研究发现,可与甲基化H3K4修饰结合的效应蛋白主要有TAF3、ING(inhibitor of growth)家族、CHD1、BPTF、WDR5、JMJD2A和BHC80。识别H3K4甲基化的效应分子可以直接参与基因转录过程,促使基因表达上调。TAF3是转录因子TFIID复合体中的一个亚基。在转录起始过程中,TAF3可以通过PHD domain与H3K4me3结合,进而帮助TFIID间接结合至H3K4me3位点,引发转录起始。H3K4效应分子还可以通过改变临近区域组蛋白甲基化状态从而调节基因转录。组蛋白甲基转移酶MLL通过与WDR5、ASH2、RbBP5组成的亚复合体共同形成MLL复合体而发挥作用。这个复合体中的WDR5可以识别H3K4me2,将其组蛋白侧链暴露出来,并招募MLL组蛋白甲基转移酶至该位点,从而促进H3K4me2进一步甲基化为H3K4me3。

(2)H3K9甲基化修饰通常与基因转录抑制及异染色质形成有关。现有研究发现,可以催化H3K9发生甲基化的酶主要有SUV39H1,SUV39H2,G9a,ESET/SETDBl以及EuH-MTase/GLP。可以与甲基化H3K9结合的蛋白主要有HP1(heterochromatin binding protein 1)和UHRF 1(ubiquitin-like,containing PHD,RING finger domains 1)。HP1的主要生物学功能在于维持染色体结构的完整性,调控基因转录并参与异染色质的形成。HP1可招募DN-MT1、DNMT3ADNA甲基转移酶至H3K9甲基化位点,使DNA发生甲基化,从而使基因转录受到抑制。在人类细胞中,Rb可以与SUV39H1和HP1结合,提高使cyclin E基因启动子区的H3K9甲基化水平,抑制cyclin E的表达。此外,在内毒素耐受THP 1细胞中,G9a结合在TNFα基因的启动子区,G9a作为组蛋白甲基转移酶可以催化H3K9发生二甲基化,HPI与H3K9me2结合后可招募DNMTa/3b,从而使DNA甲基化,TNFα转录受到抑制。

(3)H3K27甲基化修饰主要存在于具有polycomb response elements(PREs)的常染色质、中心粒异染色质区以及失活的X染色体上,与转录抑制相关。可催化H3K27发生甲基化的酶为EZH2。可以与甲基化H3K27结合的效应分子是Polycomb。Polycomb repressive complex(PRC)家族的主要成员有PRC1和PRC2,Polycomb主要存在于PRC1复合体中。PRC1中的Polycomb亚基与H3K27me3有较高的亲和力,提示二者可能结合。在人类细胞中,下调H3K27去甲基化酶UTX后导致Hox基因启动子区H3K27me2/me3水平升高,并伴随着PRC1招募增多。另外,PRC1与沉默基因染色质上的H3K27me3相互作用可能有助于核小体内部环状结构的产生。这种环状结构可以使PRC2等复合物通过PRC1与目的基因相接触。通过这种接触,PRC1可以催化H2A发生泛素化修饰,PRC2可以催化目的基因邻近区域的组蛋白H3K27位点发生甲基化修饰,阻止RNA聚合酶的前进,进而抑制转录延伸。同时,这种接触也有助于H3K27me3在沉默基因中的播散。

五、组蛋白的磷酸化

组蛋白磷酸化修饰是指在磷酸激酶等相关酶的作用下,ATP水解后的磷酸基团与组蛋白N末端的丝氨酸或苏氨酸残基的结合。组蛋白的磷酸化修饰也是一种常见的基因转录调控方式,主要发生在组蛋白H3的第10位丝氨酸和第28位丝氨酸上,这两个位点都存在于一个相同的保守序列(ARKS-)中,它们的磷酸化与基因转录的起始和有丝分裂期染色质的凝集有关。在哺乳动物中,催化组蛋白H3第10位丝氨酸磷酸化的蛋白激酶有Rsk-2和Msk1,其生物钟的控制与光诱导产生的下丘脑神经元细胞中组蛋白H3第10个丝氨酸的磷酸化有关。在细胞因子引发的炎症反应过程中,NF-κB调控的启动子(如IκBα启动子)组蛋白H3也是磷酸化的,与之有关的磷酸激酶IKKa被鉴定为一种新的H3S10激酶。可以看出,组蛋白H3第10位丝氨酸是有丝分裂和基因转录调控过程中磷酸化激酶作用的主要靶点,通过磷酸化修饰可能改变了组蛋白的电荷,进而改变组蛋白与DNA结合的特性,从而调控基因的转录活性。

组蛋白的磷酸化可能会改变组蛋白与DNA的结合的稳定性,在细胞信号、有丝分裂、细胞死亡、DNA损伤修复、DNA复制、转录和重组过程中发挥重要作用。比如,组蛋白H3S10在G2期初始阶段会发生磷酸化,从而进一步影响基因转录的起始和有丝分裂期染色体浓缩时形态结构的改变。H3磷酸化(S10,S28,T3和T11)的缺乏使得减数分裂Ⅰ期和减数分裂Ⅱ期的X染色体的着丝粒失活,造成减数分裂期X染色体的不分离。H3S28的磷酸化还可以调节依赖于RNA聚合酶Ⅲ的转录。

组蛋白磷酸化与甲基化、乙酰化、泛素化之间存在关联。这些修饰能够通过协同和拮抗机制影响基因的表达。组蛋白H3S10的磷酸化促进H3K9及H3K14的乙酰化,但是抑制H3K9的甲基化。H3S28磷酸化能够诱导邻近的K27产生甲基化-乙酰化开关机制。H2AXSer139和Ser16(一个新的磷酸化位点)的磷酸化能够减少H2AX的泛素化,并且抑制细胞转化。

六、组蛋白的泛素化

泛素是高度保守的、含76个氨基酸的蛋白质,它在真核生物体内广泛存在。组蛋白的泛素化修饰就是组蛋白的赖氨酸残基位点与泛素分子的羧基末端相互结合的过程。组蛋白H2A在1975年被首次发现有泛素化修饰。组蛋白H2A和H2B都可以发生泛素化修饰,H2A泛素化位点在羧基末端的K119,H2B泛素化位点在羧基末端的K120或K123。H1和H3也可以泛素化,但其具体位点尚未明确。

组蛋白的泛素化修饰是指在组蛋白上连接泛素蛋白(ubiquitin),是一个由多种酶参与的反应过程,包括泛素活化酶E1,泛素结合酶E2,泛素连接酶E3,其通常属于单泛素化修饰。在哺乳动物细胞中,组蛋白H2A羧基末端普遍存在泛素化现象,Bmi/Ringl A蛋白具有RING Finger结构和E3的活性,特异性地催化H2AK1 19位的泛素化修饰。同时有学者发现辅激活因子TAFⅡ250也具有泛素酶的活性,能催化组蛋白H1与泛素蛋白的结合。因此,TAFⅡ250具有三种组蛋白修饰酶的活性:组蛋白乙酰基转移酶的活性,其底物是核心组蛋白;磷酸激酶的活性,能磷酸化自身和基本转录因子TF 11F;泛素结合酶活性,其底物是连接子组蛋白H1。因而,组蛋白的泛素化也是基因转录调控中非常重要的一环。

H2B泛素化能够干扰染色质的凝集,使得染色质处于“开放”的状态。组蛋白的泛素化还可能通过其他组蛋白修饰影响基因表达,组蛋白泛素化可以促使H3K4、H3K79甲基化,而H3K4和H3K79甲基化通过阻止Sir蛋白作用活跃的常染色质区域,从而限制Sir蛋白对染色质作用来维持基因沉默。

七、组蛋白的SUMO化

SUMO(small ubiquitin-related modifier)是一种泛素类似修饰物,能共价结合于组蛋白尾的赖氨酸残基上,此过程类似于泛素化。在ATP存在的情况下,经SUMO活化酶E1,SUMO结合酶E2,SUMO连接酶E3的作用,最终与组蛋白底物偶联。组蛋白H4的SUMO化,可促进招募组蛋白去乙酰化酶(HDAC)和异染色质蛋白HP1介导的基因转录抑制。SUMO结合酶E2(Ubc9)存在于SWI、HDAC形成的复合物中,可能对异染色质的形成起到了直接的作用。

总之,组蛋白的各种化学修饰间存在相互作用:一方面表现为同种组蛋白的一个残基的化学修饰能够促进或抑制其他残基的修饰,并存在相互影响;另一方面,组蛋白的同一氨基酸的不同修饰间也存在协同或拮抗作用。

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