组蛋白修饰

前面我们了解了染色质的基本组成结构单位是核小体，因此参与核小体装配的组蛋白是决定染色质包装程度的重要因素之一。

一、组蛋白修饰简介

人类一个细胞内的DNA长度约为2米，如果把人体细胞内的DNA全部展开，其长度约是太阳系直径的2倍。经过高度折叠压缩后才变成纳米至微米级染色体/质的结构,再塞进去7um左右的小小细胞核里面。

染色质的基本组成结构单位是核小体，因此参与核小体装配的组蛋白是决定染色质包装程度的重要因素之一。

核小体结构

核小体由H2B、H2A、H3、H4四种组蛋白（Histone）亚基各两个拷贝形成的八聚体和缠绕在外约146bp的DNA组成。其中组蛋白N端（尾部）的氨基酸残基易受到翻译后修饰（PTM），包括乙酰化(Acetylation)、甲基化(methylation)、磷酸化(phosphorylation)、泛素化(ubiquitination)等组蛋白修饰。

这些修饰以不同的方式影响染色质的紧密度和可及性，从而影响基因的表达，最终影响生物各方面的生理和发育过程，是真核生物调节基因表达最重要的表观遗传调控方式之一(Lawrence et al., 2016)。

二、组蛋白修饰如何调节基因表达

通过一篇2016年的综述来学习组蛋白修饰如何调节基因表达

每个细胞的DNA包裹在组蛋白八聚体（histone octamers）上，形成所谓的“核小体核心颗粒”（nucleosomal core particles）。这些组蛋白具有从核小体中突出的尾巴，这些尾巴中的许多残基可以被翻译后修饰（post-translationally modified，PTM），影响所有基于DNA的过程，包括染色质压实（chromatin compaction），核小体动力学（nucleosome dynamics）和转录（transcription）。最近的研究表明，组蛋白核心修饰不仅可以直接调节转录，还可以影响DNA修复，复制，干性和细胞状态变化等过程。

这篇综述重点介绍了我们对组蛋白修饰的理解的最新进展，特别是核小体侧表面的修饰（lateral surface of the nucleosome）。该区域与DNA直接接触，由组蛋白核心形成。作者认为，这些侧表面修饰（these lateral surface modifications ）代表了细胞染色质调节（chromatin regulation）的关键见解。因此，侧表面修饰（lateral surface modifications）构成了表观遗传学（epigenetics）中一个关键的兴趣领域和正在进行的研究焦点。

1、组蛋白尾部修饰

Histone Tail Modifications

组蛋白修饰的描述规则：组蛋白结构+氨基酸名称+氨基酸位置+修饰类型。

例如：H3K4ac代表H3组蛋白的第4位赖氨酸(k)的乙酰化Acetylated；

H2AK119ub1代表H2A组蛋白的第199位赖氨酸(k)的单泛素化ubiquitinated。

mitosis：有丝分裂；

2、组蛋白尾部翻译后修饰

组蛋白尾部翻译后修饰示意图，数字显示每个修饰的位置，K=赖氨酸，R=精氨酸，S=丝氨酸，T=苏氨酸。颜色展示具体的修饰类型，绿色=甲基化，粉色=乙酰化，绿松石=磷酸化，米色=泛素化。

K = lysine, R = arginine, S = serine, T = threonine.

green = methylated, pink = acetylated, turquoise = phosphorylated, beige = ubiquitinated.

3、组蛋白球状结构域修饰

Histone Globular Domain Modifications

组蛋白球状结构域修饰的定位

具有H3组蛋白的组蛋白八聚体的晶体结构显示为浅蓝色和紫色。DNA用灰色表示。H3K79用红色表示，位于溶剂暴露的八聚体表面。组蛋白侧表面显示H3R42(黄色)、H3K56(橙色)、H3K64(粉色)和H3K122(浅绿色)。正面和侧面视图显示。请注意，H3R42, H3K56, H3K64和H3K122位于DNA的正下方。

4、核小体及其包衣DNA的示意图，详细说明了组蛋白球状结构域内关键修饰的位置和功能。

甲基Methyl标记为浅绿色，acetyl乙酰标记为粉红色，磷酸化残基phosphorylated residues为浅蓝色。

5、球状结构域修饰的位置

负责它们沉积的酶，以及它们与组蛋白尾部修饰的相互作用。每个组蛋白尾部修饰周围的颜色表明它们影响和/或与之相关的球状结构域修饰。

三、组蛋白乙酰化修饰acetylated

组蛋白乙酰化多发生在组蛋白H3和H4的N端赖氨酸(Lys,K)残基上。组蛋白带正电荷，DNA带负电荷，所以组蛋白与DNA结合非常紧密。而组蛋白乙酰转移酶将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白的赖氨酸残基上，会中和组蛋白的正电荷， 减弱DNA与组蛋白的相互作用，从而使DNA更容易与转录因子结合，因此组蛋白乙酰化往往与转录激活相关。

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。

四、组蛋白甲基化修饰Methylated

与组蛋白乙酰化不同，组蛋白甲基化不会改变组蛋白电荷，也不会直接影响组蛋白-DNA相互作用。甲基化的存在或不存在主要影响了它们与Reader蛋白的结合，导致染色质结构的改变，从而导致转录抑制或激活，是否抑制或激活主要取决于组蛋白中甲基化的确切氨基酸以及连接的甲基数量。组蛋白甲基化发生在赖氨酸（Lysine，K）和精氨酸（Arginine，R）残基上，赖氨酸可以分别被一、二、三甲基化，而精氨酸只能被一和二甲基化（二甲基化分为对称性和非对称性）。

最常见的是在H3组蛋白尾部赖氨酸残基的甲基化修饰，其中，组蛋白H3第4、9、27、36位赖氨酸甲基化目前研究的较为清楚。

五、组蛋白泛素化修饰

泛素是由76个氨基酸组成的低分子量蛋白质（大约8.451 kDa），泛素化是泛素分子在激活酶、结合酶、连结酶和降解酶等一系酶的作用下，对靶蛋白进行特异性修饰的过程。组蛋白的泛素化修饰在改变染色体的构象、招募并活化下游蛋白和作为降解信号降解蛋白等方面发挥作用。

目前研究比较多的是组蛋白H2A和H2B的单泛素化，单泛素化的H2A多出现于异染色质中，与基因沉默有关。而单泛素化的H2B多存在于活跃的常染色质中，与转录激活有关。

六、磷酸化修饰

组蛋白磷酸化修饰影响染色体的结构和功能有两种可能的机制：第一，磷酸基团的负电荷中和了组蛋白所携带的正电荷，这造成组蛋白与DNA之间的亲和力下降；第二，磷酸化修饰有利于组蛋白与蛋白质的识别，促进蛋白质复合物的招募或者相互作用(聂文锋等, 2022)。组蛋白磷酸化通常发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸位点上，组蛋白H3的磷酸化进化保守，主要有第10位和28位的丝氨酸（H3S10p、H3S28p）以及第3位和11位的苏氨酸（H3T3p、H3T11p）。

七、小结

已经详细研究的组蛋白球状结构域修饰使我们能够深入了解白血病、实体癌、DNA修复、细胞重编程、分化和多能性。因此，核小体的外侧表面the lateral surface of the nucleosome代表了表观遗传学正在进行的研究的中心区域，并为我们提供了染色质调控和转录控制之间界面的关键见解。

参考文献：

Lawrence M, Daujat S, Schneider R. Lateral Thinking: How Histone Modifications Regulate Gene Expression. Trends Genet. 2016;32(1):42-56. doi:10.1016/j.tig.2015.10.007.

来源:Of Studies/医药速览 2023-05-25