7.1.2　组蛋白修饰

7.1.2　组蛋白修饰

调控基因调控的表观遗传标记多种多样，其中许多依赖上下文的方式调控基因表达。核小体是染色质的基本单位，它由147个碱基对的DNA组成，在核心组蛋白H 2A，H 2B，H3，H 4形成的八聚体上缠绕1.75圈［3］。这些核心组蛋白的氨基末端含有氨基酸残基，是乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化的结合位点；这些翻译后修饰改变了组蛋白与DNA的相互作用，用来确定染色质的转录活性状态以及转录因子的结合［2］。这些组蛋白修饰的特定模式通常被称为“组蛋白密码”，并且对应于染色质的各种状态及不同基因组的激活或抑制［4］。

组蛋白的翻译后修饰可以发生在许多不同的残基上，其中一些残基位点可以存在多种修饰。例如，赖氨酸（K）残基位点既是乙酰化的位点也是甲基化的位点。不同类型的修饰也可以在不同的氨基酸残基上发生。例如，甲基化可以发生在赖氨酸（K）或精氨酸（R）残基上。此外，组蛋白尾部的目标氨基酸可以是单甲基化的，也可双甲基化的或是三甲基化的，这使得它们的功能状态更加复杂。在大多数物种中，组蛋白H3主要在K9，K14，K18，K23，K56处乙酰化，在R2，K4，K9，K27，K36，K79甲基化，并且在丝氨酸（S）10和S28、苏氨酸（T）3和T11处磷酸化。组蛋白H 4最常在K5，K8，K12，K16处乙酰化，在R3和K20处甲基化，并在S1处磷酸化。对不同组蛋白修饰的定量检测方法的改进将有利于理解基因表达的复杂表观遗传调控。

（1）组蛋白乙酰化

乙酰化是研究最多的组蛋白翻译后修饰的一种方式，是将乙酰辅酶A中的乙酰基转移到受体组蛋白中的赖氨酸（K）侧链上。组蛋白乙酰化和组蛋白去乙酰化会受两种作用相反的酶来调控，即组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的作用调节［2，4］。多年前，人们已经证实组蛋白乙酰化与转录活性增强存在相关性。HATs活性的增加促进了组蛋白的乙酰化，进而产生更开放的染色质构象，进而导致基因转录活性的增加。相反，HDACs活性增加可以从组蛋白上将乙酰基去除，导致核小体与包裹在其周围的DNA之间的空间减少、染色质结构的紧缩、进而基因表达抑制。然而，转录调控的确切机制可能更复杂，并涉及许多其他染色质相关蛋白。

HATs是由一大家族蛋白质构成，其包含多种成员，根据其催化结构域的结构和功能相似性分为五个大家族。有Gcn5相关的N-乙酰转移酶（GNAT）超家族成员、MYST蛋白、p300／CREB结合蛋白（CBP）HATs、具有TAF250结构域特征的一般转录因子HATs及类固醇受体共激活因子／核受体共激活因子家族［5］。

HDAC酶是具有序列和结构相似性的相关蛋白家族的代表［6］。在人类中，HDAC酶家族有18种亚型，分为4类主要类别，即Ⅰ—Ⅳ类［7］。HDAC存在于大型多蛋白复合物中，并且有证据表明大多数HDAC酶需要与其他HDAC酶或蛋白质相互作用以获得最佳催化性能［8，9］。组蛋白的乙酰化是相对短暂的标记，这对于短暂而又精确的转录控制是至关重要的。

（2）组蛋白甲基化

组蛋白甲基化的酶促反应是以S-腺苷-1-甲硫氨酸作为甲基供体，由赖氨酸甲基转移酶（KMT）和精氨酸（R）甲基转移酶（PRMT）催化进行的。组蛋白甲基化可涉及最多三个甲基的转移，因此分别产生单-、二-或三-甲基化的赖氨酸，以及单-或二-甲基化的精氨酸。已经在鉴定了超过50种与HATs酶不相同的人类组蛋白甲基转移酶，它们对其修饰的K或R残基是具有特异性的。根据其催化结构域的序列分为两个不同的赖氨酸甲基转移酶家族：DOT1样蛋白和含有SET结构域的蛋白［10］，它们进一步分为四个家族，包括SET1，SET2，SUV39，RIZ。

（3）组蛋白磷酸化(https://www.daowen.com)

越来越多的研究开始关注组蛋白的磷酸化及其在细胞生理学和人类疾病中的作用。组蛋白磷酸化的靶向氨基酸残基有丝氨酸（S）残基、苏氨酸（T）残基和酪氨酸（Y）残基。丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶会使丝氨酸或苏氨酸的-OH基团磷酸化，而酪氨酸特异性蛋白激酶会使酪氨酸氨基酸残基磷酸化。哺乳动物中存在数百种蛋白激酶，可分为不同的超家族。相反，蛋白磷酸酶可以催化氨基酸残基的去磷酸化。组蛋白的磷酸化是多样的、复杂的，几种不同的激酶能够使相同的氨基酸残基磷酸化［11］。例如，哺乳动物中H3S10的磷酸化是通过不同激酶的作用发生的，包括Aurora B激酶、I-kappa-B激酶、核糖体蛋白S6激酶A3（又名RSK2）和AKT丝氨酸／苏氨酸激酶1［11］。

磷酸化和其他翻译后修饰方式之间存在广泛的交叉对话，它们共同调节各种生物过程，包括基因转录、DNA修复和细胞周期进程［11］。例如，H3S10，T11，S28的磷酸化明显与H3乙酰化相关，这也明确暗示了这些修饰与转录激活有关。

（4）组蛋白泛素化

组蛋白泛素化修饰虽然不如其他翻译后修饰被研究那么多，但也属于调节表观基因组的另外一种形式。组蛋白泛素化是指向组蛋白尾部的特定赖氨酸残基添加单个分子量为8.5 kDa（76个氨基酸）泛素化的蛋白分子。组蛋白泛素化大多数情况下是单泛素化的。泛素化的过程需要三种酶的连续活动：泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3）［12］。尽管在20世纪70年代发现了H 2A的泛素化现象，但直到2004年才发现了这种修饰的第一个特异性的E3连接酶［13］。与其他组蛋白翻译后修饰相似，H2泛素化是可逆的。去泛素化通过一类硫醇蛋白酶即为去泛素化酶（DUBs）来发生反应的［12］。泛素化标志着蛋白酶会降解的蛋白质、组蛋白单泛素化与基因表达的转录控制及DNA损伤反应（包括转录重编程、细胞周期关卡和DNA修复）有关。

哺乳动物最常见的组蛋白修饰及其对染色质的影响见表7-1。