表觀遺傳學 第三章 組蛋白修飾

1、表觀遺傳學表觀遺傳學第三章第三章 組蛋白修飾組蛋白修飾生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omDNADNA PackingPackingr 1. 如何將如何將10,000公里長的蠶公里長的蠶絲絲(半徑半徑10-5米米)裝入一個籃裝入一個籃球中。球中。r 2. 蠶絲的體積：蠶絲的體積：3.14*10-3m3r 3. 折疊、纏繞折疊、纏繞生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om染色體上不同的區(qū)域染色體上不同的區(qū)域r Euchromatin: 常染色質(zhì)；常染色質(zhì)；r Heterochromatin: 異染色異染色質(zhì)質(zhì)r E-H或或H-稱為染色質(zhì)重塑稱為染色質(zhì)重塑(Ch

2、romatin Remodeling)r 分子機理：分子機理：DNA甲基化，甲基化，組蛋白修飾組蛋白修飾，染色質(zhì)重塑復，染色質(zhì)重塑復合物的協(xié)同作用。合物的協(xié)同作用。生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om常染色質(zhì)與異染色質(zhì)常染色質(zhì)與異染色質(zhì)r 1. 常染色質(zhì)：基因表達常染色質(zhì)：基因表達活躍的區(qū)域，染色體結活躍的區(qū)域，染色體結構較為疏松構較為疏松r 2. 異染色質(zhì)：基因表達異染色質(zhì)：基因表達沉默的區(qū)域，染色體結沉默的區(qū)域，染色體結構致密構致密核小體核小體常染色質(zhì)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC異染色質(zhì)生物w秀w- 專 w.b心 bi

3、做 oo生 .c物 om組蛋白與核小體組蛋白與核小體生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHistoneHistone variantsvariants生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白修飾組蛋白修飾生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白修飾組蛋白修飾 (2)(2)生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om主要的功能基團主要的功能基團r Acetylr Methylr Phosphorylr Ubiquitin生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigeneticEpigenetic di

4、fferencesdifferences：monozygoticmonozygotic twinstwins5mCH4 乙?；阴；疎pigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCH3 乙?；阴；飛秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白共價修飾的功能組蛋白共價修飾的功能r 基因轉(zhuǎn)錄、基因轉(zhuǎn)錄、DNA損傷修復、損傷修復、DNA復制、染色體凝聚等復制、染色體凝聚等生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om內(nèi)容綱要內(nèi)容綱要rrrrr一、組蛋白的乙?；弧⒔M蛋白的乙?；⒔M蛋白的甲基化二、組蛋白的甲基化三、組蛋白的磷酸化三、組蛋白

5、的磷酸化四、組蛋白的泛素化四、組蛋白的泛素化五、組蛋白的五、組蛋白的SUMO化化r 六、組蛋白密碼六、組蛋白密碼Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om一、組蛋白的乙?；?、組蛋白的乙酰化r 1. 通常發(fā)生在蛋白質(zhì)的賴氨酸通常發(fā)生在蛋白質(zhì)的賴氨酸(K)上；上；r 2. 可逆的生化反應：可逆的生化反應：| A. Histone acetyltransferase，HAT (30)| B. Histone deacetylase, HDAC (18)r 3. 分子效應：中和賴氨酸上的正電荷，增加組蛋分子

6、效應：中和賴氨酸上的正電荷，增加組蛋白與白與DNA的排斥力的排斥力r 4. 生物學功能：生物學功能：| A. 基因轉(zhuǎn)錄活化基因轉(zhuǎn)錄活化| B. DNA損傷修復損傷修復生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白的乙?；M蛋白的乙?；痳 中和賴氨酸的正電荷，中和賴氨酸的正電荷，C=O具有一定的負電，能夠增加具有一定的負電，能夠增加與與DNA的斥力，使得的斥力，使得DNA結構變得疏松，從而導致基因結構變得疏松，從而導致基因的轉(zhuǎn)錄活化的轉(zhuǎn)錄活化生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATsHATs：轉(zhuǎn)乙?；福恨D(zhuǎn)乙?；干飛秀w- 專 w.b心 bi做 oo生

7、.c物 omGcn5/PCAFGcn5/PCAF & & p300/CBPp300/CBPGcn5/PCAFp300/CBPBr, bromodomain;Nr, nuclear receptor-interacting box;CH, cysteine/histidine-rich module;KIX, phospho-CREBinteracting module;Q, glutamine-richdomain.具有保守的具有保守的HAT結構域結構域Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .

8、c物 omBromodomainBromodomainr 1. An acetyl-lysinebinding domainr 2. HATs修飾底物之后修飾底物之后可能與底物上的乙?？赡芘c底物上的乙?；嚢彼峤Y合化賴氨酸結合生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATs:HATs: MYST(MYST(MOZ-Ybf2/Sas3-Sas2-TIP60) )Chromo, chromodomain;Ser, serine-rich domain;CH, cysteine/histidine-richmotif;H15, linker histones H1-and H5-li

9、ke domain;NEMM, N-terminal part ofEnok, MOZ or MORF;PHD, PHD zinc finger;ED, glutamate/aspartate-rich region;SM, serine/methionine-richdomainEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC具有保守的具有保守的MYST結構域結構域生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATHAT識別底物的分子機制識別底物的分子機制r A. hit-and-runmodel；r B. & C. attract-and

10、-hit modelsr D. targeted actionmodelr E. relay model: 兩個兩個HAT先后修飾底物先后修飾底物r F. HIV Tat K50被被p300修飾后，招募修飾后，招募PCAF，再激活特定基因。再激活特定基因。(Bromodomain)生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om人類人類IFN-IFN-基因的激活基因的激活A. DNA code: 序列模體、甲基化模式B. GCN5結合到啟動子/增強子上C. 修飾H4K8和H3K9D. H3S10被RSK-2磷酸化，促使GCN5修飾H3K14E. SWI/SNF的BRG1特異性識別H4K

11、8;TFIID的TAFII250識別H3K9和H3K14, 從而激活IFN-生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om蛋白質(zhì)乙酰化調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)乙?；{(diào)控基因轉(zhuǎn)錄r A. 乙酰化轉(zhuǎn)錄因子，使之與乙酰化轉(zhuǎn)錄因子，使之與DNA結結合能力增強；合能力增強；r B. 轉(zhuǎn)錄因子活化的結構域招募轉(zhuǎn)錄因子活化的結構域招募HATs復合物；復合物；r C. HAT復合物乙?；M蛋白，打開復合物乙?；M蛋白，打開染色質(zhì)；染色質(zhì)；r D. 轉(zhuǎn)錄激活；轉(zhuǎn)錄激活；r E. HAT復合物中的共激活子也被乙復合物中的共激活子也被乙?；揎?；?；揎?；r F. HAT復合物乙?；箅x開，轉(zhuǎn)復合物乙?；?/p>

12、離開，轉(zhuǎn)錄活性削弱。錄活性削弱。生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白乙酰化：組蛋白乙?；篋NADNA repairrepairr 1. DNA損傷修復：損傷修復：| A. Homologous recombination(HR)| B. Nonhomologous end-joining(NHEJ)r A. 完整的完整的DNA序列；序列；r B. 雙鏈斷裂；雙鏈斷裂；r C. NHEJ因子因子: (D) 修復因子與修復因子與(E)染色質(zhì)重塑因子；染色質(zhì)重塑因子；r F. 染色質(zhì)重塑的構染色質(zhì)重塑的構型，型，(G) 增大增大NHEJ局部濃度；局部濃度；r H. 直至修

13、復直至修復生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHDACsHDACsr 1. Class I：HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8(定位于細胞核定位于細胞核)r 2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能夠在細胞核與胞能夠在細胞核與胞質(zhì)間轉(zhuǎn)運質(zhì)間轉(zhuǎn)運)r 3. Class III：Sirtuins (SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7)r 4. Class IV：HDAC11生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omCl

14、assicalClassical HDACsHDACs生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHDACHDAC復合物復合物生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSirtuinsSirtuinsr 1. NAD-dependent protein deacetylaser 2. NAD: 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸r 3. ADP-ribosyl-transferase生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSirtuinsSirtuinsr 割裂割裂NAD，釋放，釋放nicotinamide (煙堿煙堿)生物w秀w- 專 w.b心

15、 bi做 oo生 .c物 omSirtuinsSirtuins：吃的少，活得長：吃的少，活得長r caloric restriction (CR)：延緩隨年齡增大易發(fā)生的疾病和癌癥，并：延緩隨年齡增大易發(fā)生的疾病和癌癥，并顯著延長壽命顯著延長壽命r CR: AL小鼠小鼠60%的食物：引起的食物：引起SIRT1蛋白質(zhì)表達量增加蛋白質(zhì)表達量增加/cgi/content/abstract/305/5682/390細胞中轉(zhuǎn)入細胞中轉(zhuǎn)入Bax或或Bax-Ku70復合復合物使得細胞凋亡率增加物使得細胞凋亡率增加？生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .

16、c物 omBaxBax促使細胞凋亡促使細胞凋亡r 1. Ku70與與Bax結合；結合；r 2. 受到信號的刺激，受到信號的刺激，Ku70被乙?；尫疟灰阴；尫臖ax；r 3. 游離游離Bax穿入線粒體，引起細胞凋亡穿入線粒體，引起細胞凋亡BaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCKu70乙?；阴；诰€粒體上打在線粒體上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡Bax生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSIRT1:SIRT1: 減弱減弱BaxBax的細胞凋亡能力的細胞凋亡能力Ku70的的K539 & K542被被SIRT1去乙?；?/p>

17、乙?；飛秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omBaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCKu70乙?；阴；诰€粒體上打在線粒體上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡BaxSIRT1SIRT1SIRT1生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om乙酰化與去乙?；阴；c去乙?；痳 轉(zhuǎn)錄因子招募轉(zhuǎn)錄因子招募HDAC抑制基因表達；抑制基因表達；r 招募招募HAT復合物激活基因表達。復合物激活基因表達。生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHDACHDAC InhibitorInhibitorr 1. 主要針對主要針對C

18、lassicalHDACs；r 2. 激活保護性基因的表達激活保護性基因的表達r 3. 抗腫瘤新藥抗腫瘤新藥生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om二、組蛋白的甲基化二、組蛋白的甲基化r 1. 主要發(fā)生在賴氨酸主要發(fā)生在賴氨酸(K)或精氨酸或精氨酸(R)上；上；r 2. Long-term；r 3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs.PRMTs (protein arginine methyltransferases)r 4. 可逆的生化反應可逆的生化反應?r 5. 分子效應：增加賴氨酸上的疏水力分子效應：增加賴氨酸上的疏

19、水力r 6. 生物學功能：生物學功能：|A. 基因轉(zhuǎn)錄活化基因轉(zhuǎn)錄活化B. 基因轉(zhuǎn)錄沉默基因轉(zhuǎn)錄沉默C. X染色體失活染色體失活D. 異染色質(zhì)致密狀態(tài)異染色質(zhì)致密狀態(tài) (heterochromatin compaction)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om精氨酸和賴氨酸甲基化的過程精氨酸和賴氨酸甲基化的過程生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omLysineLysine MethylationMethylationr 1. Mono-, di- or tri- methyla

20、tionr 2. H3K9 & H3K27的的tri- methylation是沉默的異染色質(zhì)的是沉默的異染色質(zhì)的主要特征主要特征r 3. H3K9的的di- methylation對于常染色質(zhì)的基因表達是必對于常染色質(zhì)的基因表達是必需的需的r 4. H4K20的的tri- methylation是癌癥中的一個普遍現(xiàn)象是癌癥中的一個普遍現(xiàn)象r 5. 有絲分裂期間，在動粒有絲分裂期間，在動粒(centromere)附近的附近的H3K9的的tri-methylation負責保證染色體順利完成分裂負責保證染色體順利完成分裂r 6. 在活化基因的在活化基因的5端和啟動子區(qū)域，甲基化出現(xiàn)的模式為

21、：端和啟動子區(qū)域，甲基化出現(xiàn)的模式為：| A. H4K20的的mono- methylation| B. H3K4的的di- or tri- methylation| C. H3K79的的di- methylation生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om賴氨酸甲基化的功能賴氨酸甲基化的功能生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHKMTsHKMTsr A. HKMTs的家族成員的家族成員以及各自的底物識別特以及各自的底物識別特異性；異性；r B. Methyl-lysine結合結合蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHKMTs

22、HKMTsr 除了除了Dot1外，都具有外，都具有SET domain生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omr RNA polymerase II (Pol II)定位到基定位到基因啟動子區(qū)域，與因啟動子區(qū)域，與H3K4 & H3K36的的甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶Set1, Set2 & Dot1相互作相互作用；用；r Activator (Act) 招募招募Rad6-Bre1復合復合物，并加載到物，并加載到Pol II上上r Rad6-Bre1泛素化泛素化H2B，促使，促使H3K4和和H3K79的甲基化；的甲基化；r 轉(zhuǎn)錄延長過程中，轉(zhuǎn)錄延長過程中，Pol II

23、的的Ser2被磷被磷酸化，促使酸化，促使Set1分離下來；分離下來；r 第一輪轉(zhuǎn)錄后，基因被標記為第一輪轉(zhuǎn)錄后，基因被標記為H3K4,H3K36 & H3K79甲基化甲基化r H3K4被被Chd1識別后結合，識別后結合，招募招募SAGA復合物；復合物；r SAGA復合物乙酰化組蛋白復合物乙?；M蛋白r 轉(zhuǎn)錄保持激活轉(zhuǎn)錄保持激活組蛋白賴氨酸甲基化與轉(zhuǎn)錄組蛋白賴氨酸甲基化與轉(zhuǎn)錄生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omArginineArginine MethylationMethylationr Type-I enzymes (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PR

24、MT4,PRTM6 and PRMT8): -NG, NG,-asymmetricdimethylarginines (aDMA)r Type-II enzymes (PRMT5 and PRMT7): -NG, NG,-symmetric dimethylarginines (sDMA)生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omPRMTsPRMTs調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄r CARM1/PRMT4 (coactivator-associated argininemethyltransferase 1): 修飾修飾H3R2, H3R17 & H3R26生物w秀w- 專 w

25、.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白乙?；?、甲基化以及組蛋白乙?；?、甲基化以及DNADNA甲基化的關系甲基化的關系r A. MBD結合甲基化的結合甲基化的DNA,招募招募HDAC, 組蛋白去甲基組蛋白去甲基化化, 招募招募HMT, 甲基化組蛋甲基化組蛋白白, 轉(zhuǎn)錄沉默；轉(zhuǎn)錄沉默；r B. 組蛋白無乙?；揎椊M蛋白無乙?；揎?MBD結合甲基化的結合甲基化的DNA,再與再與SET結合，甲基化組結合，甲基化組蛋白蛋白;r C. 甲基化的組蛋白尾部招甲基化的組蛋白尾部招募募DNMT，對基因長期，對基因長期沉沉默默生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om異染色質(zhì)與常染色質(zhì)的基因沉

26、默異染色質(zhì)與常染色質(zhì)的基因沉默r A. 異染色質(zhì)沉默：組蛋異染色質(zhì)沉默：組蛋白去乙?；?；甲基化白去乙?；?；甲基化H3K9；招募；招募HP1；形成；形成異染色質(zhì)異染色質(zhì)r B. 常染色質(zhì)沉默：轉(zhuǎn)錄常染色質(zhì)沉默：轉(zhuǎn)錄因子因子E2F通過通過Rb招募招募HP1-Suv29h1；Suv29h1甲基化甲基化H3K9；HP1與與H3K9結合，沉默結合，沉默基因的表達基因的表達生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om去甲基化酶去甲基化酶生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omPADI4PADI4r Ca2+-dependentpeptidylargininedeiminase，將，將unmodifie