组蛋白赖氨酸甲基化在表观遗传调控中的作用

组蛋白赖氨酸的甲基化在表观遗传调控中起着关键作用。组蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和H4的K20均可被甲基化。组蛋白H3第9位赖氨酸的甲基化与基因的失活相关连; 组蛋白H3第4位赖氨酸和第36位赖氨酸的甲基化与基因的激活相关连; 组蛋白H3第27位赖氨酸的甲基化与同源盒基因沉默、X染色体失活、基因印记等基因沉默现象有关; 组蛋白H3第79位赖氨酸的甲基化与防止基因失活和DNA修复有关。与此同时, 组蛋白的去甲基化也受到更为广泛的关注。 关键词: 组蛋白赖氨酸甲基转移酶; 组蛋白赖氨酸甲基化; 组蛋白去甲基化     

植物组蛋白赖氨酸化修饰参与基因表达调控的机理

组蛋白共价修饰作为表观遗传修饰的重要部分,主要包括乙酰化和甲酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和SUMO化等,它们形成一个复杂的网络共同调控基因的表达,其中组蛋白甲基化修饰成为研究的热点,甲基化主要发生在赖氨酸残基上。近年来,随着有关植物组蛋白赖氨酸甲基化修饰研究的不断深入,发现其通过改变自身赖氨酸残基的甲基化状态和甲基化程度,形成转录激活或者转录抑制标记,调控基因的表达,在植物开花和逆境胁迫的响应过程中起着至关重要的作用。H3组蛋白的赖氨酸甲基化修饰能够调控FLC基因和有关抗性基因的表达,具体表现为:H3K4的三甲基化促进FLC的表达,H3K27的三甲基化则抑制FLC的表达;H3K4me3作为转录激活标记,可激活PtdIns5P基因的表达,启动响应干旱的脂质合成信号通路,响应干旱胁迫;相反,H3K27me3作为一种转录抑制标记,低水平的H3K27me3诱导COR15A和ATGOLS3基因表达,它们分别编码叶绿体低温保护蛋白Cor15am和肌醇半乳糖合成酶GOLS,以抵抗寒冷胁迫。文章主要综述了植物组蛋白赖氨酸甲基化修饰参与DNA甲基化、开花过程以及应答逆境胁迫的分子机制。     

DOT1—— 一类新的组蛋白赖氨酸甲基转移酶

组蛋白甲基化是一种重要的组蛋白共价修饰, 在染色质结构和基因表达的调控过程中起着重要的、多样化的作用。DOT1催化核心球体部位的组蛋白H3第79位赖氨酸(H3K79)使其发生甲基化, 是首个被发现的无SET结构域的组蛋白赖氨酸甲基转移酶, 代表了一类新的组蛋白赖氨酸甲基转移酶。DOT1及H3K79甲基化的特点决定了其可能具有重要的、特殊的生物学功能。文章重点综述了DOT1蛋白的结构及特点, DOT1及H3K79甲基化的生物学功能以及组蛋白泛素化修饰对H3K79甲基化的反式调控。     

植物组蛋白赖氨酸甲基化建立过程及其遗传性研究进展

表观遗传学主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA,组蛋白甲基化作为组蛋白修饰中的一种重要修饰,在植物体的发育和环境适应中发挥着重要作用。组蛋白甲基化主要发生在赖氨酸残基上,同时根据不同的赖氨酸位点和每个赖氨酸位点甲基化程度的不同,形成了不同的赖氨酸甲基化修饰。根据对基因的不同功能,通常将组蛋白赖氨酸甲基化修饰分为2大类:(1)能够促进基因表达的,如H3K4me3和H3K36me3;(2)能够抑制基因表达的,如H3K9me2和H3K27me3。不同的组蛋白赖氨酸甲基化去甲基化过程需要相应的阅读(reader)、书写(writer)和擦除(eraser)3种蛋白。同时,组蛋白赖氨酸甲基化的遗传性质目前还不是很清楚。综述了植物中组蛋白赖氨酸甲基化建立与去除过程,以及对组蛋白赖氨酸甲基化可遗传性的探讨。     

组蛋白赖氨酸的脱甲基化

组蛋白甲基化修饰调节染色质结构与基因转录,影响细胞分化与个体发育。2004年Shi等鉴定了第一个组蛋白脱甲基酶:赖氨酸特异性脱甲基酶1(lysinespecificdemethylase1,LSD1)。这个发现是“组蛋白密码”学说的重要进展,标志着组蛋白脱甲基化研究的开始。     

哺乳动物卵泡发育过程中组蛋白甲基化修饰的研究进展

卵泡的正常发育涉及有序的基因转录激活和抑制等一系列复杂的生命过程,对雌性获得生殖能力至关重要.组蛋白甲基化修饰可以改变细胞内染色质的状态,影响基因的转录活性.现阶段的研究表明,组蛋白甲基化等表观遗传学修饰在雌性哺乳动物卵泡发育的过程中发挥了重要的调控作用.本文总结了组蛋白赖氨酸甲基化(H3K4及H3K9)等甲基化修饰与...     

组蛋白赖氨酸甲基化修饰与肿瘤

对组蛋白甲基化修饰认识已有相当长的时间,但直到最近几年由于组蛋白甲基化修饰酶的发现才使人们逐渐认识到组蛋白甲基化修饰有广泛的生物学功能,像异染色质形成、X染色体失活、转录调节、干细胞的维持和分化等,组蛋白甲基化修饰的改变与某些人类疾病和肿瘤也有一定关系。组蛋白修饰是可逆性的,这为某些疾病的治疗提供了新的可能。     

PLMT家族成员SET7/9的非组蛋白甲基化作用

SET7/9是蛋白赖氨酸甲基化转移酶（protein lysine methyltransferases,PLMTs或PKMTs）家族成员,具有SET结构域。现已发现SET7/9是一种赖氨酸单甲基化转移酶,除了能使组蛋白H3第四位赖氨酸（lysine4 of histone 3,H3K4）单甲基化外,更重要的能使一些转录因子、肿瘤抑制因子、膜相关受体等非组蛋白单甲基化,其甲基化作用主要与蛋白稳定和转录活化有关。该效应受赖氨酸特异性去甲基酶1（lysine specifcdemethylase,LSD1）的抑制。SET7/9与LSD1两者效应的平衡对维持体内活性蛋白质含量、调节基因表达具有重要意义。     

组蛋白甲基化研究进展

组蛋白甲基化是表观遗传修饰方式中的一种,参与异染色质形成、基因印记、X染色体失活和基因转录调控.组蛋白甲基化过程的异常参与多种肿瘤的发生.既往认为组蛋白甲基化是稳定的表观遗传标记,而组蛋白去甲基化酶的发现对这一观点提出了挑战,也为进一步深入研究组蛋白修饰提供新的途径.     

组蛋白精氨酸甲基化修饰对基因转录的调控

总结了组蛋白精氨酸甲基化修饰体系的最新研究进展．组蛋白精氨酸甲基化修饰在基因转录调控中发挥着十分重要的作用,这类修饰由蛋白精氨酸甲基转移酶（PRMTs）介导,其中PRMT1和PRMT4的甲基化修饰与基因的转录激活作用相关,PRMT5和PRMT6的甲基化修饰则与基因的转录抑制作用相关．组蛋白精氨酸的甲基化是一个动态的可逆过程,催化组蛋白精氨酸的去甲基化是由“精氨酸去甲基化酶”介导的．     

细胞分裂过程中的组蛋白H3磷酸化

组蛋白是染色质中主要的蛋白质组分,经过复杂的翻译后修饰,主要包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和ADP-核糖基化后,会改变染色质的结构及功能特性。组蛋白H3的磷酸化是高度保守的,发生在有丝分裂和减数分裂中特定的时期和染色体部位。在真核生物的不同物种中,组蛋白的磷酸化在染色体上的分布和起始时期是不同的,但常在中期磷酸化水平达到最高。在有丝分裂或减数分裂将结束的时候,H3普遍发生去磷酸化现象。不同组蛋白的共价修饰有不同的表观遗传学效应。     

组蛋白甲基转移酶的研究进展

组蛋白的甲基化修饰主要是由一类含有SET结构域的蛋白来执行的, 组蛋白甲基化修饰参与异染色质形成、基因印记、X染色体失活和转录调控等多种主要生理功能, 组蛋白的修饰作用是表观遗传学研究的一个重要领域。组蛋白甲基化的异常与肿瘤发生等多种人类疾病相关, 可以特异性地激活或者抑制基因的转录活性。研究发现, 组蛋白甲基转移酶的作用对象不仅仅限于组蛋白, 某些非组蛋白也可以被组蛋白甲基转移酶甲基化, 这将为探明细胞内部基因转录、信号转导、甚至个体的发育和分化机制提供更广阔的空间。     

小鼠不同细胞间组蛋白修饰变化对MafA基因转录表达的影响

目的通过比较不同细胞类型之间MafA基因转录起始区的组蛋白修饰差异,探讨组蛋白修饰对MafA基因转录表达的作用。方法采用染色质免疫共沉淀-实时定量PCR法检测小鼠胰岛素瘤β细胞（NIT-1）、NIH小鼠成纤维细胞（NIH3T3）及小鼠胚胎干细胞（mES）三者中的MafA和MLH1基因转录起始区组蛋白修饰（H3K4m3、H3K9m3和H3乙酰化）的状况。同时采用实时定量RT-PCR检测上述三种细胞各基因mRNA表达水平。分析基因的H3K4m3、H3K9m3和H3乙酰化修饰与基因表达之间的相互关系。结果 （1）以mES细胞为参照,NIT-1细胞MafA基因的转录起始区的H3K4m3修饰水平明显增高（P〈0.05）,H3K9m3修饰水平明显降低（P〈0.05）;NIH 3T3细胞MafA基因的转录起始区的H3K9m3修饰水平明显增高（P〈0.05）,H3K4m3修饰水平明显降低（P〈0.05）;（2）MafA基因的仅在NIT-1细胞表达,其表达与H3K4m3修饰存在直线相关（相关系数0.995）;与H3K9m3修饰存在直线负相关（相关系数-0.751）;（3）管家基因MLH1的表达与所检测组蛋白修饰无相关性。结论 H3K9m3与H3K4m3修饰能相互协调,共同调控MafA基因的表达,对胚胎干细胞向β细胞分化具有重要的意义。     

组蛋白H3K36甲基化与疾病

组蛋白H3K36位点可以发生甲基化修饰,其修饰状态受到H3K36甲基转移酶和去甲基化酶的动态调控。H3K36的甲基化修饰可引起多种生物学效应,如参与基因的转录激活或抑制、剂量补偿以及基因的选择性剪接等。H3K36甲基化修饰状态的异常与很多疾病相关,因此全面了解H3K36甲基化对于该类疾病的诊断和治疗具有重要意义。     

DNA甲基化与组蛋白甲基化的关系

在真核生物基因组及基因组以外,存在着多种共价修饰,其中,DNA和组蛋白的甲基化都与基因的沉默存在着联系,DNA和H3K9的甲基化在调节基因过程中具有协同作用,并拮抗H3K4的甲基化。近来的研究显示,两种甲基化机制之间似乎还存在着联系,即DNA的甲基化可能依赖于H3K9的甲基化,但在哺乳动物中,两种甲基化的关系可能更复杂。     

赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1与白血病的研究进展

表观遗传学是后基因组时代兴起的一门新学科,它使人们认识到包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑及非编码RNA调控在内的修饰也可以记载遗传信息;并且许多表观遗传改变是可逆的,对表观遗传修饰和调控的研究已成为生命科学的热点和发展前沿。2004年发现的赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1(LSD1)是第一个真正意义上的组蛋白赖氨酸去甲基化酶,使人们认识到组蛋白甲基化是一个动态的过程,通过组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶的相互作用,动态地调控基因转录的激活和抑制等生物学过程。这重新定义了组蛋白甲基化,同时也为进一步深入研究组蛋白修饰提供了新的途径。我们在此简要介绍LSD1的结构与功能、LSD1与白血病的关系,LSD1在白血病的发生和发展中发挥重要作用,是一个潜在的治疗白血病的靶基因。     

非组蛋白甲基化研究进展

蛋白质的翻译后修饰主要包括磷酸化、乙酰化、泛素化以及甲基化,在调节蛋白质结构和功能上起到重要作用。目前对于蛋白质甲基化研究最多的是组蛋白甲基化。除了组蛋白,赖氨酸、精氨酸甲基化也发生在非组蛋白。近年来,越来越多的非组蛋白甲基化被发现,非组蛋白甲基化在肿瘤发生发展中同样具有重要意义。本文就此方面的进展作简要概述。     

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D调控H9c2细胞中HIF-1α/VEGF通路

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D (histone-lysine N-methyltransferase 2D, KMT2D) 作为主要的组蛋白3第4位赖氨酸 (H3K4) 甲基转移酶,在调控胚胎发育、组织分化、代谢和肿瘤抑制方面发挥重要作用。在小鼠体内,敲除Kmt2d会导致严重的心脏发育缺陷最终造成胚胎期死亡。低氧诱导因子-1α (hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α) 作为调节细胞应对低氧的关键转录因子,能够调控多种下游基因转录。有相关研究揭示,表观遗传调控者能够调节HIF-1α的稳定性和活性。同样,作为表观遗传调控者的组蛋白甲基转移酶KMT2D是否参与低氧条件下HIF-1α对下游基因的调控,目前仍未知。在本研究中,观察在Kmt2d正常或缺乏的情况下,心肌细胞H9c2对低氧环境的应答反应。结果显示,与常氧条件相比,低氧状态下HIF-1α、组蛋白乙酰化酶P300、KMT2D及其介导的H3K4一甲基化 (H3K4 mono-methylation, H3K4me1)的蛋白质水平增加 (P<0.05);HIF-1α下游基因血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor, Vegf) 的mRNA表达水平明显上调 (P<0.01)。染色质免疫共沉淀实验 (chromatin immunoprecipitation assay, ChIP-qPCR) 检测结果显示,H3K4me1和组蛋白3第27位赖氨酸乙酰化 (histone 3 lysine 27 acetylation, H3K27ac) 在Vegf基因启动子区域的结合丰度明显增加 (P<0.05)。低氧条件下沉默Kmt2d之后,H3K4me1蛋白水平和Vegf的mRNA表达下降 (P<0.05)。本研究表明,低氧条件下KMT2D参与调控HIF-1α和下游基因Vegf的表达。     

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D调控H9c2细胞中HIF-1α/VEGF通路

组蛋白赖氨酸甲基转移酶2D (histone-lysine N-methyltransferase 2D, KMT2D) 作为主要的组蛋白3第4位赖氨酸 (H3K4) 甲基转移酶,在调控胚胎发育、组织分化、代谢和肿瘤抑制方面发挥重要作用。在小鼠体内,敲除Kmt2d会导致严重的心脏发育缺陷最终造成胚胎期死亡。低氧诱导因子-1α (hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α) 作为调节细胞应对低氧的关键转录因子,能够调控多种下游基因转录。有相关研究揭示,表观遗传调控者能够调节HIF-1α的稳定性和活性。同样,作为表观遗传调控者的组蛋白甲基转移酶KMT2D是否参与低氧条件下HIF-1α对下游基因的调控,目前仍未知。在本研究中,观察在Kmt2d正常或缺乏的情况下,心肌细胞H9c2对低氧环境的应答反应。结果显示,与常氧条件相比,低氧状态下HIF-1α、组蛋白乙酰化酶P300、KMT2D及其介导的H3K4一甲基化 (H3K4 mono-methylation, H3K4me1)的蛋白质水平增加 (P<0.05);HIF-1α下游基因血管内皮生长因子 (vascular endothelial growth factor, Vegf) 的mRNA表达水平明显上调 (P<0.01)。染色质免疫共沉淀实验 (chromatin immunoprecipitation assay, ChIP-qPCR) 检测结果显示,H3K4me1和组蛋白3第27位赖氨酸乙酰化 (histone 3 lysine 27 acetylation, H3K27ac) 在Vegf基因启动子区域的结合丰度明显增加 (P<0.05)。低氧条件下沉默Kmt2d之后,H3K4me1蛋白水平和Vegf的mRNA表达下降 (P<0.05)。本研究表明,低氧条件下KMT2D参与调控HIF-1α和下游基因Vegf的表达。     

组蛋白修饰与基因调控

基因表达是一个受多因素调控的复杂过程,组蛋白是染色体基本结构－核小体中的重要组成部分,其N－末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等多种共价修饰作用,组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲性,从而改变染色质的疏松或凝集状态,或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用,组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用。