组蛋白修饰

第四章组蛋白修饰DNAPacking1.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*10-3m33.折叠、缠绕…DNA双螺旋片段形成染色质的“串珠球”核小体形成的30nm染色质纤丝扩展的染色体片段中期染色体的浓缩片段完整的中期染色体核小体核小体是染色体的基本结构单位，由DNA和组蛋白(histone）构成，是染色质（染色体）的基本结构单位。核小体由相对伸展的连接DNA相连，形成串珠状（称为一级结构）核小体二级结构是由一系列核小体盘绕成螺旋并排列形成30nm纤维，在间期染色质和有丝分裂染色体中都可见到。30nm的纤维状结构中的DNA的压缩包装比约为40。纤丝本身再进一步压缩后，成为常染色质的状态时，DNA的压缩包装比约为1000。有丝分裂时染色质进一步压缩为染色体，压缩包装比高达8400，即只有伸展状态时长度的万分之一。|←二级结构→|←一级结构→|核小体的功能除了在细胞核里面给DNA之间的紧密结合提供支架之外，核小体对于转录也有着很重要的调节作用，在转录启动的初期，核小体能阻止RNA聚合酶接近细胞不需要的成长区域。当细胞的需求发生改变的时候，染色质重组因子能改变核小体的部位以永续它们的接近。核小体同时还是染色质边界的标志，通过调节它们中心组蛋白的N-末端能够携带表型遗传信息。核小体的组成核小体是染色质（体）的基本结构单位，由DNA和组蛋白(histone）构成。由4种组蛋白H2A、H2B、H3和H4，每一种组蛋白各二个分子，形成一个组蛋白八聚体，约200bp的DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结构外面，形成了一个核小体。组蛋白与核小体组蛋白与核小体每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1；组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构；146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。每个核小体DNA和组蛋白的含量(包括H1在内)大致相等。组蛋白的性质和分类组蛋白(histones)是真核生物体细胞染色质中的碱性蛋白质，富含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸，精氨酸和赖氨酸加起来约为所有氨基酸残基的1/40。组蛋白和非组蛋白染色体中组蛋白以外的蛋白质成分称非组蛋白(nonhistoneproteins)。绝大部分非组蛋白呈酸性，因此也称酸性蛋白质或剩余蛋白质。非组蛋白是指细胞核中组蛋白以外的酸性蛋白质。非组蛋白不仅包括以DNA作为底物的酶，也包括作用于组蛋白的一些酶,如组蛋白甲基化酶。此外还包括DNA结合蛋白、组蛋白结合蛋白和调节蛋白。由于非组蛋白常常与DNA或组蛋白结合,所以在染色质或染色体中也有非组蛋白的存在,如染色体骨架蛋白。组蛋白的性质和分类1.因为组蛋白富含带正电荷的碱性氨基酸，所以能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用，形成DNA组蛋白复合物。2.组蛋白是一类小分子碱性蛋白质。组蛋白的性质和分类3.有五种类型：H1、H2A、H2B、H3、H4、组蛋白的性质和分类H1属于另一类组蛋白，它不参加核小体的组建，在构成核小体时起连接作用，并赋予染色质以极性。H1有一定的组织和种属特异性。H1的相对分子质量较大，在进化上也较不保守，由200多个氨基酸残基组成。不同生物的HI序列变化较大。在某些组织中，H1被特殊的组蛋白所取代。如成熟的鱼类和鸟类的红细胞中H1被H5所取代，精细胞中则由精蛋白代替。组蛋白的性质和分类4.组蛋白是已知蛋白质中最保守的核心组蛋白高度保守的原因可能有两个:其一是核心组蛋白中绝大多数氨基酸都与DNA或其他组蛋白相互作用，可置换而不引起致命变异的氨基酸残基很少;其二是在所有的生物中与组蛋白相互作用的DNA磷酸二脂骨架都是一样的。组蛋白为了查找不同物种的组蛋白序列以及结构信息，可以访问组蛋白序列数据库()染色质指间期细胞内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式。有常染色质和异染色质之分。常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结构致密染色质重塑Euchromatin:常染色质；Heterochromatin:异染色质E-H或H-E称为染色质重塑(ChromatinRemodeling)分子机理：DNA甲基化，组蛋白修饰，依赖于ATP的染色质重塑复合物的协同作用。组蛋白修饰每个核心组蛋白都有两个结构域:组蛋白的球形折叠区：与组蛋白间相互作用及缠绕DNA有关氨基末端(N末端)结构域：位于核小体的球形核心结构以外(伸出核小体)，可同其他调节蛋白和DNA发生相互作用，并且可以发挥信号位点的作用，这些位点常被组蛋白乙酰转移酶、组蛋白甲基转移酶和组蛋白磷酸转移酶等作用，发生各种共价修饰。组蛋白修饰组蛋白修饰组蛋白修饰组蛋白修饰组蛋白修饰种类一．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化一、组蛋白的乙酰化乙酰化修饰是通过组蛋白乙酰化酶的催化作用实现的。组蛋白乙酰化酶将乙酰CoA的乙酰基转移到组蛋白N末端尾区内赖氨酸侧链的ԑ-氨基。从组蛋白的球状域伸出的组蛋白N末端赖氨酸发生的乙酰化修饰可以通过电荷中和的方式削弱组蛋白-DNA或核小体核小体的相互作用，或引起构象的变化，破坏稳定的核小体结构。乙酰化修饰后的组蛋白也可以募集其他相关因子(如转录复合物)进入到一个基因位点，从而影响转录。组蛋白乙酰化位点一、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.Histoneacetyltransferase，HAT(30)B.Histonedeacetylase,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损伤修复一、组蛋白的乙酰化1.通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；一、组蛋白的乙酰化2.可逆的生化反应：组蛋白乙酰化（1）乙酰化酶（Histoneacetyltransferase）HAT(30)乙酰化酶通常分为两类：A型(histoneacetyltransferasetypeA，HATA)：位于细胞核，A型组蛋白乙酰化酶乙酰化细胞核内的核小体染色质组蛋白，这些组蛋白乙酰化酶与转录有关，因此也是研究关注的重点。B型(histoneacetyltransferasetypeB，HATB)：位于细胞质中，被认为有一定的细胞管家作用。在细胞质中，乙酷化新合成的游离组蛋白，然后这些乙酰化的组蛋白被运输到细胞核内，在那里它们可能会脱乙酰化并参与染色质的组成。组蛋白乙酰化酶许多转录辅激活因子具有内源性的A型组蛋白乙酰化酶(histoneacetyltransferases，HATs)活性。目前己被鉴定的HATs有20多种，这些HATs主要包含以下几个家族:GNAT(Gcn5-relateedN-aeetyltransferasessuperfamily)超家族，其主要成员有Gcn5、PCAF、Elp3、Hatl和Hpa2等;MYST(MOZ、Ybf2/Sas3、SAS2和TIP60)家族，成员主要为Sas2、Sas3和Esa1等;P300/CBP家族;另外还有一些转录因子，如TAFII250;核受体辅助激活物，如ACTR、SRC1等。组蛋白乙酰化酶1.GNAT超家族乙酰辅酶A和含有赖氨酸的底物(组蛋白)首先结合形成一个三元复合物，然后乙酰辅酶A的羰基碳直接亲核攻击GNAT家族蛋白一个活性谷氨酸位点(比如酵母Gen5的第173位谷氨酸).进而激活赖氨酸的ԑ-氨基，形成四面体中间物。这一中间物再分解成乙酰化赖氨酸产物(乙酰化组蛋白)和辅酶A。组蛋白乙酰化酶（1）Gcn5Gen5是在嗜热四膜虫中首先发现的与转录相关的A型组蛋白乙酰化酶，是一个相对分子质量约S5000的多肽，它对游离的组蛋白能够发挥乙酰化作用。Gen5的乙酰化酶活性与细胞的生长、体内转录、体内Gen5依赖的HIS3启动子的组蛋白乙酷化有直接的关系。进一步的研究表明，GenS的组蛋白乙酰化酶活性对于体内PH05启动子区域的染色质重塑有一定影响。重组Gen5可以强烈乙酰化组蛋白H3，但是对核小体组蛋白H4的乙酰化能力较弱(虽然单独乙酰化组蛋白H4的能力较强)。组蛋白乙酰化酶其中包括C末端bro-IDO结构域、Ada2相互作用结构域和HAT结构域。相关研究显示，这些结构域在体内对于转接子(adaptor)介导的转录活性是必须的。组蛋白乙酰化酶（2）PCAFPCAF乙酰化游离核小体组蛋白，主要作用于组蛋白H3第14位赖氨酸，对组蛋白H4的第8位赖氨酸的乙酰化作用较弱。当PCAF结合到启动子附近的位点时，可以发挥组蛋白乙酰化酶依赖的共激活因子的功能，并剌激转录。PCAF和Gcn5之间的相似之处是它们都参与多亚基复合物SAGA形成。而他们的不同之处在于虽然两者都在老鼠体内广泛表达，但是表达水平在许多组织中还是大不相同的。乙酰化酶PCAF眼腺病毒癌蛋白EIA相似，能够结合到p300jCBP上的相同位点，这两种蛋白质之间存在竞争。转染的PCAF和EIA对细胞周期的调控有相反的效果，表明PCAF有抑制细胞周期进程的作用，并且可能通过破坏PCAF和p300jCBP的之间的相互作用的方式促进EIA的有丝分裂活性。此外，EIA和调节蛋白Twist通过结合PCAF减少PCAF介导的体内转录，进一步确定其作为调控源的乙酰转移酶活性。Twist可能通过抑制PCAF的组蛋白乙酰化酶活性发挥生物学功能。关于EIA的研究中观察到它有一个类似于组蛋白乙酰化酶抑制子的作用，这可能对于确定组蛋白乙酰化酶抑制的特点是非常重要的。组蛋白乙酰化酶（3）Hatl、Elp3、Hpa2和其他乙酰化酶Hatl最初被把它归为B型组蛋白乙酰化酶，它主要涉及细胞质组蛋白乙酰化，这些组蛋白与DNA共同参与细胞核中染色质的形成。Hatl可以乙酷化组蛋白H4的N端第12位赖氨酸，第12位赖氨酸也是之前发现的新合成的组蛋白乙酰化过程中的主要位点。Elp3是酵母A型乙酰化酶，似乎可以直接影响转录起始和延伸，因为它是RNA聚合酶E全酶的组成部分。Elp3能够乙酰化全部4个核心组蛋白。Elp3的作用机制可能与GenS类似。Elp3在多种真核生物中的同源性以及进化保守性说明它是非常重要的。组蛋白乙酰化酶Hpa2是另一个组蛋白乙酰化酶。它像GenS亚群蛋白一样，能够乙酰化组蛋白H3和H4，尤其偏好H3K14，Hpa2与另一个酵母GNAT蛋白Hpa3具有高度同源性，Hpa3在体外实验中显示了非常弱的组蛋白乙酰化酶活性。Hpa2可以在体外形成二聚体或四聚体，目前已经分析了四聚体的晶体结构。组蛋白乙酰化酶2.MYST家族MYST家族是另一类具有组蛋白乙酰化酶活性的相关蛋白，MYST家族蛋白利用与GNAT超家族蛋白相似的机制进行乙酰化催化。组蛋白乙酰化酶图中用一个深色的框盒表示MYST同源区域，这一区域是与GNAT家族模体A相对应的区域。Z表示锌指模体，C表示在Esa1、MOF和TIP60中发现的类似于Chromo结构域的结构。组蛋白乙酰化酶（1)Sas2和Sas3Sas2和Sas3在酿酒酵母中转录沉默相关，两者同源，并且单一的Sas3突变表型正常，随后的突变体研究表明Sas3比Sas2有更弱的影响。Sas3是一种组蛋白乙酰化酶，谷脱甘肤-&转移酶(GST)融合的Sas3能够强烈乙酰化游离的组蛋白H3和H4，但是对H2A的乙酰化程度较弱。（2）Esa1Esa1是细胞周期进程所需的重要组蛋白乙酰化酶。Esa1作为重组蛋白，能够在体外乙酰化游离的组蛋白H2A、H3以及H4，对H4的乙酰化活性最强，尤其是H4的赖氨酸。然而，它无法乙酰化体外的核小体。