1、組蛋白甲基化在真核基因中的調控作用1 組蛋白修飾的結構基礎在真核生物中，核小體是染色質的基本結構單位，是由DNA和組蛋白共同構成。組蛋白分子分為H1、H2A、H2B、H3和H4等5種。核心組蛋白足由H2A、H2B、H3、H4各2個分子形成的八聚體，與其上纏繞的146 bp DNA雙螺旋分子構成了核小體的核心顆粒，核小體的核心顆粒之間再由約60個堿基對DNA和組蛋白H1連接起來形成串珠樣結構。組蛋白富含帶正電荷的精氨酸和賴氨酸，可以與帶有負電荷的DNA分子緊密結合。每個核心組蛋白由一個球形結構域和暴露在核小體表面的N端尾區組成，其N端氨基末端會發生多種共價修飾，包括磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化

2、、糖基化、碳基化等。2 組蛋白修飾、組蛋白密碼與表觀遺傳學組蛋白翻譯后修飾包括乙酰化與去乙酰化、磷酸化與去磷酸化、甲基化與去甲基化、泛素化與去泛素化等。這些修飾可能通過兩種機制影響染色體的結構與功能：改變組蛋白的電荷，因此改變了組蛋白與DNA結合的特性；產生蛋白識別模塊的結合表面，因此能募集專一蛋白復合物到它們的表面起作用。單一組蛋白的修飾往往不能獨立地發揮作用，一個或多個組蛋白尾部的不同共價修飾依次發揮作用或組合在一起，形成一個修飾的級聯，它們通過協同或拮抗來共同發揮作用。這些多樣性的修飾以及它們時間和空間上的組合與生物學功能的關系可作為一種重要的表觀標志或語言，也被稱為“組蛋白密碼” (h

3、istone code)，在不同環境中可以被一系列特定的蛋白質或者蛋白質復合物所識別，從而將這種密碼翻譯成一種特定的染色質狀態以實現對特定基因的調節。組蛋白修飾與DNA 甲基化、染色體重塑和非編碼RNA 調控等，在基因的DNA序列不發生改變時，使基因的表達發生改變，并且這種改變還能通過有絲分裂和減數分裂進行遺傳，這種遺傳方式是遺傳學的一個分支，被稱為“表觀遺傳學”。組蛋白密碼擴展了DNA序列自身包含的遺傳信息，構成了重要的表觀遺傳學標志。圖1顯示的是組蛋白H3 和H4 的N端尾部氨基酸排列順序、常見的修飾位點及這些位點相應的修飾方式、修飾間相互影響。從圖1 可見，組蛋白H3K9 既可被乙酰化又

4、可被甲基化，說明兩者間存在競爭性修飾，究竟采取何種修飾視具體情況而異。Litt等研究表明，H3K9 的乙酰化和甲基化間存在負相關，而H3K4 乙酰化與甲基化間存在正相關，由此很容易看出H3K9 和H3K4 的甲基化存在拮抗作用。由此可見，組蛋白修飾以及組蛋白修飾間的調節將是非常復雜的，有待進一步探索。3 組蛋白甲基化和去甲基化3.1 組蛋白甲基化和組蛋白甲基轉移酶組蛋白甲基化是表觀遺傳修飾方式中的一種，參與基因轉錄調控，通常發生在H3和H4組蛋白N端精氨酸或者賴氨酸殘基上的甲基化，由組蛋白甲基轉移酶(histone methyltransferases，HMT)催化，該酶分為組蛋白賴氨酸甲基轉

5、移酶(HKMT)、組蛋白精氨酸甲基轉移酶(HRMT)2個家族。HKMT例如果蠅Su(var)39、Ashl，裂殖酵母Clr4、SET9，釀酒酵母ySETI、set2，粗糙鏈胞霉菌Dim5，哺乳動物Suv39H1、Suv39H2、G9a、G9a相關蛋白(GLP)、SETBl/ESET、M1。l。、SET7/Set9、NSDl、EZH2等。其甲基化位點多位于H3N端尾區賴氨酸殘基上，其中H3K4、H3K36的甲基化可以激活基因轉錄，而H3K9、H3K27、H3K79、H3K20的甲基化則抑制基因轉錄。促進基因表達，或是抑制基因表達，除取決于甲基化的位點外，還與甲基化的程度相關，即某一特定殘基可以結

6、合不同數目的甲基，賴氨酸殘基的單、雙、三甲基化(metl、met2、met3)似乎是基因表達調控較為穩定的標記。HRMT如PRMT5、PRMTl、CARMl，其甲基化位點多位于H3 N端尾區精氨酸殘基上，能夠單、雙甲基化。一般來說，精氨酸甲基化與基因激活相關，組蛋白精氨酸甲基轉移酶作為協同刺激因子被募集到目標基因的啟動子區促進基因表達，若精氨酸的甲基化丟失則與基因沉默相關。3.2 組蛋白去甲基化及組蛋白去甲基化酶多年以來組蛋白甲基化作用被認為是不可逆的，然而有研究顯示有一種酶即Jumonji domaincontaining(JmjC)組蛋白去甲基化酶可以催化組蛋白中賴氨酸和精氨酸單、雙甲基化

7、的去甲基化，而三甲基化似乎不能被去甲基化。組蛋白去甲基化酶的發現使組蛋白甲基化過程更具動態性，也大大豐富了組蛋白修飾的復雜性。該類酶主要包括肽基精氨酸脫亞胺酶4(PAD4)和賴氨酸特異性去甲基化酶I(LSDl)等。PAD4是一種可以將甲基化的精氨酸轉變為瓜氨酸同時釋放甲胺的蛋白，使蛋白質精氨酸甲基轉移酶失去作用位點而達到抑制甲基化反應的目的，多作用于H3、H4的多個精氨酸位點，但只對單甲基化有效，對雙甲基化無效。LSDl是一種黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)依賴的單胺氧化酶，通過氨基氧化作用生成甲醛和去甲基化賴氨酸殘基達到去除甲基的目的。該酶可以使得賴氨酸單、雙甲基化去甲基，特別作用于H3K4位點

8、，使轉錄受到抑制。也有報告雄激素受體的作用下，LSDl可作用于H3K9位點，從而激活轉錄。對于三甲基化似乎無法去甲基化，因此目前暫時認為三甲基化可能是真正永久不可逆的。3.3 SET結構域多數蛋白甲基轉移酶都包含有SET結構域，含有SET結構域的蛋白主要功能是調節基因活性，但具體機制還不甚明確。一些植物中含有SET結構域蛋白的相關研究發現這些蛋白控制著組蛋白甲基轉移酶類的活性，提示SET結構域可能是甲基轉移酶類的重要組成部分。眾所周知，核小體組蛋白在異染色體基因沉默中發揮關鍵作用，已有研究表明很多含有SET結構域的蛋白，如人Suv39H1和裂殖酵母Clr4，都具有組蛋白甲基轉移酶活性，并在組蛋

9、白甲基化導致基因沉默擔當重要角色。4 組蛋白甲基化對基因表達的調控作用組蛋白甲基化的功能主要體現在異染色質形成、基因印記、X染色體失活和轉錄調控方面。目前發現24個組蛋白甲基化位點，其中17個位于賴氨酸，其他7個位于精氨酸。賴氨酸可以是單甲基化、雙甲基化和三甲基化，精氨酸也可以是單甲基化或者雙甲基化。如果把這3種甲基化狀態都考慮在內，應該一共有3x1011種組蛋白甲基化組合狀態，復雜的組合為組蛋白甲基化發揮功能調控作用提供更大的潛能。4.1 組蛋白甲基化與異染色質形成Suv39hl和suv39h2兩種基因編碼的甲基轉移酶對異染色質的形成起重要作用，若將這兩個基因同時突變，細胞中H3K9的甲基化

10、會減少一半，這樣出生的小鼠有絲分裂中染色體的分離有缺陷。在裂殖酵母中H3K9位點的甲基化可以將常染色質和異染色質在特定區域分開。在形成異染色質的過程中，Su(var)39與異染色質蛋白1(HPl)之間相互作用控制對方蛋白質的定位。有學者曾針對異染色質的形成提出過一個模型：首先組蛋白脫乙酰酶使H3中的K9、K14脫乙酰化，然后SUV39Hl對H3K9進行甲基化。H3K9的甲基化再影響DNA的甲基化，隨后甲基化的H3K9做為一個結合位點招募HPl蛋白的定位，最后HPl定位在間期核的異染色質區，參與染色體高級結構的形成，最終形成異染色質的多聚體。4.2 組蛋白甲基化與基因印記基因印記是指一對等位基因

11、中，一條來自父方，一條來自母方，其中任何一方基因表達處于抑制狀態，就稱為基因印記。組蛋白甲基轉移酶在基因印記中發揮重要作用。缺少組蛋白甲基轉移酶會導致基因印記丟失。最近，有兩項在大鼠7號染色體中的研究都發現，組蛋白甲基化可能是除了DNA甲基化以外維持基因印記的另一種重要途徑。例如，H3K9位點甲基化參與鼠類胚胎Kcnqlotl基因的印記。4.3 組蛋白甲基化與X染色體失活雌性哺乳動物的劑量補償1是由X染色體失活和Xist非編碼RNA(ncRNA)決定的。在胚胎干細胞分化過程中，Xist表達就和H3K27me3、H4K20mel、DNA甲基化有關。胚胎組織隨機X染色體失活是由DNA甲基化控制的，

12、而胚外組織對于已經印記的X染色體失活的維持是依賴于Eed的功能和Xist的表達，與DNA甲基化無關。由此可見，X染色體失活和基因組印記可能由同樣的機制引起，這些機制中就包括組蛋白甲基化和ncRNA。4.4 組蛋白甲基化與轉錄調控組蛋白甲基化發生在賴氨酸和精氨酸殘基上。研究發現組蛋白賴氨酸甲基化在染色質形成和基因表達過程中起重要作用。最近發現，轉錄過程中，PAF轉錄延長復合體可以募集Setl和Set2兩種組蛋白甲基轉移酶到達mRNA編碼區調控基因轉錄。在這一過程中RNA聚合酶呈現末端磷酸化狀態，因此這種磷酸化的RNA聚合酶是組蛋白甲基化和基因轉錄的聯系紐帶。4.4.1 精氨酸甲基化精氨酸甲基化發

13、生在組蛋白H3(R2、R17、R26) 和 H4(R3)上，可以是單甲基化或者是雙甲基化，后者可以呈現對稱雙甲基化或者不對稱雙甲基化。精氨酸甲基化對基因表達起激活作用。組蛋白精氨酸甲基轉移酶作為協同激活因子被募集到目標基因的啟動子區。這種酶屬于組蛋白甲基轉移酶中的CARMl和PRMTl家族，這兩個家族中的酶分別對H3和H4組蛋白起轉甲基作用。4.4.2 賴氨酸甲基化4.4.2.1激活轉錄功能H3K4和H3K36位點發生的甲基化可以激活基因的轉錄。H3K4的甲基化必須在H2B的123位賴氨酸呈現泛素化的狀態下，但是H3K36甲基化不受這種限制。這主要是因為H2BKl23位泛素化后可以募集H3K4

14、甲基轉移酶Setl，而Setl又可以募集PAFl延長復合體，當RNA聚合酶的C端結構域中5位絲氨酸呈現磷酸化狀態時，就可以與這種延長復合體一起開啟基因轉錄。甲基轉移酶Dotl也可以被募集到該復合體中，從而開啟轉錄。研究還發現，Ubp8作為SAGA復合體中的一個成分，發揮去除泛素化作用，使得H3K4甲基化后出現去泛素化狀態，這樣就可以募集H3K36甲基轉移酶Set2，當H3K36甲基化與RNA聚合酶CTD區2位絲氨酸磷酸化同時發生時，就可以激活基因轉錄。由此推測H3K4甲基化可能是轉錄發生的早期事件。上述是在釀酒酵母中做的研究，雖然多細胞動物中也有類似關于H3K4甲基化的報道，但是這種修飾在多細

15、胞動物中是異常復雜的，具體的功能還需要迸一步研究。另一項研究報道Setlp作為H3K4的甲基化轉移酶，可以調控酵母中許多基因的表達。lswlp是一種ATP酶，它可以識別H3K4雙甲基化和三甲基化的染色體。兩者相互聯系共同調節特定基因的5端，使RNA聚合酶分布正常，從而促進基因的正常轉錄。4.4.2.2 抑制轉錄功能H3K9、H3K27、H3K79、H4K20位點的甲基化發揮轉錄抑制作用。H3K9甲基化介導基因轉錄抑制的機制研究較清楚。Suv39是H3K9甲基轉移酶，H3K9甲基化后和募集來的HPl蛋白結合。RB蛋白募集Suv39/HPl復合體共同控制cyclinE啟動予，從而實現轉錄抑制功能。

16、研究發現，缺失RB時，H3K9是不甲基化的，而且P1和 cyclinE啟動子也是不相關的。所以認為必須要有RB蛋白才能發揮H3K9甲基化的轉錄抑制功能。值得注意的是，RB蛋白調控的賴氨酸甲基化都發生在該位點去乙酰化后，現在還不清楚是不是RB蛋白本身在募集去乙酰化酶和甲基轉移酶過程中本身裁有順序性。至于HPl是如何介導轉錄抑制的還不清楚。一種假設認為，HPl蛋白作用于基因啟動子區帶來多種酶活性，從而介導轉錄靜默。研究發現，HPl可能有ATP酶和去乙酰化酶活性就是這種假設的證據。另外，HPl可以保護H3K9位的甲基化不受去甲基化酶酶攻擊，也是維持轉錄抑制的保證。除了RB蛋白介導組蛋白甲基化的轉錄抑

17、制作用以外，KAPl和AROS兩種蛋白質也可能介導目標基因的轉錄抑制。以上不同位置的甲基化并不是獨立存在的，乙酰化和甲基化也不是沒有關系的。學者們認為，存在一種酶學復合體，它同時包括去乙酰化酶和H3K9甲基轉移酶。這種多酶體系可以保證乙酰化的激活作用和甲基化的抑制作用，這沖突的兩種修飾方式不會同時出現。組蛋白甲基化除了以上三種主要功能之外，還參與DNA的損傷修復過程。H3K79和H4K20甲基化過程如果受阻，就會出現DNA損傷部位周圍P53BPl和Crb2的錯誤定位，從而影響修復過程。表1列出了組蛋白各位點的甲基化轉移酶和去甲基化酶及其甲基化位點功能。4.5 組蛋白甲基化與DNA甲基化Tama

18、ru和Selker在鏈孢霉屬中的研究發現，H3K9甲基轉移酶dim5被抑制后，DNA的甲基化程度也下調。他們還將脈孢菌株系中H3K9用其他不能發生甲基化的氨基酸代替，發現H3組蛋自甲基化狀態改變后hph基因也沒有被甲基化，由此而推測組蛋白甲基化可能是DNA甲基化發生的前提。還有研究發現，DNA甲基化起始階段存在DNA甲基轉移酶3(DNMT3)向組蛋白甲基化結合蛋白HPl募集的現象，這同樣提示兩種甲基化過程可能存在重疊。另外，DNA發生甲基化后會募集甲基結合蛋白，這類蛋白質利用其MBD結構域識別甲基化DNA，從而發揮抑制轉錄的作用。近來研究發現一種H3K9甲基轉移酶結構中也存在MBD結構域。如果

19、此酶的MBD能與甲基化的DNA結合，那么就可以把組蛋自甲基化和DNA甲基化聯系起來。4.6 組蛋白甲基化與疾病SET結構域存在于許多與腫瘤發生相關的人類基因之中。過去10年的研究發現，具有此結構域的基因多數都發揮腫瘤抑制的功能。最近發現組蛋白甲基轉移酶也具有SET結構域，那么很自然地推測組蛋白甲基轉移酶是否也具有腫瘤抑制的功能?RIZl(PRDM2)具有H3K9位甲基轉移酶活性。研究發現，在某些腫瘤中，例如：乳腺癌、肝癌、結腸癌、神經母細胞瘤、脊髓瘤、肺癌和骨腫瘤中，該基因發生突變而失去活性，而其失活又引起G2-M期的細胞周期延長，調亡抑制，因此推測H3K9位組蛋白甲基轉移酶可能具有腫瘤抑制功

20、能，它的功能缺失可能參與癌癥的發生過程。Suv39l/2剔除的鼠基因不穩定，染色體錯誤分離，替致B細胞淋巴瘤。人的Suv39hl/2與視網膜膠質瘤蛋白(Rb)共同調節周期蛋白E(cycline E)的基因表達，Suv39h1/2的功能下調可能導致增殖失控而發生癌變，如非何杰金氏淋巴瘤。另外，H4R3位的甲基化影響白血病細胞的分化。MLLl甲基轉移酶突變與多種類型白血病有關。結直腸癌和肝癌細胞中SMYD3甲基轉移酶過表達，前列腺癌、淋巴瘤和乳腺癌中EZH2甲基轉移酶高表達，這說明組蛋白甲基轉移酶異常可能參與實體腫瘤發生。最近，美國一項臨床研究發現，組蛋白甲基化在前列腺癌患者標本中比例很高，估計其

21、他腫瘤中也可能有相似發現。另外，還有報道缺乏甲基的飲食會導致組蛋白甲基化程度低，這類人群發生腫瘤的比例較正常人群高。這也提示組蛋白甲基化可能與腫瘤發生有關。5 組蛋白甲基化及其他化學修飾的共同調控作用組蛋白的不同化學修飾之間相互作用，不僅表現為同種組蛋白不同殘基的一種修飾能加速或抑制另一修飾的發生，并且在影響其他組蛋白殘基的同時，也受到另外組蛋白殘基修飾的調節。另一方面，組蛋白上相同氨基酸殘基不同修飾之間也會發生協同或者拮抗。同一組蛋白的不同修飾類型之間發生相互影響稱順式作用，不同組蛋白的修飾之間發生的相互影響稱反式作用。不同組蛋白或不同殘基修飾之間的調節如圖4 所示，組蛋白H3S10 的磷酸

22、化促進H3K9 與H3K14的乙酰化，抑制H3K9的甲基化。H3K14 的乙酰化與H3K4 的甲基化均可進一步抑制H3K9的甲基化，從而導致基因呈活化狀態。同時，H3K4 的甲基化還可促進H3K9 的乙酰化。相反，H3K9 的甲基化抑制了H3S10的磷酸化，并且抑制H3K9、H3K14 的乙酰化，從而導致基因沉默。5.1 乙酰化與甲基化組蛋白去乙酰化酶使H3K9、H3K14 去乙酰化，然后SUV39 Hl對H3K9進行甲基化，進而形成異染色質。Aoyama 等報道，在用組蛋白去乙酰化酶抑制劑MS-275 處理120 h 后，組蛋白H3K9 從雙甲基化轉變成乙酰化。前文提到，一些研究者推測，可能

23、存在一種酶學復合體，它同時包括去乙酰化酶和H3K9 甲基轉移酶。這種多酶體系可以保證乙酰化的激活作用和甲基化的抑制作用，使這兩種相互沖突的修飾方式不會同時出現。2001 年Bannister 等發現，H3K9 的甲基化是HP1 特異的結合位點，并指出，H3K9既可以發生甲基化，也可發生乙酰化。該位點的競爭性修飾可能提供一個常染色質與異染色質之間的“分子開關”，相關聯的各種酶及其活性受其控制，進而精密地調控相對應的復雜的生物學過程。2002 年Daujat 等用雌激素誘導PS2 基因時觀察到CBP 和CARM1 之間的協同作用機制。CBP 首先乙酰化K18(接著是K23)，導致CARM1募集到組

24、蛋白H3 尾肽，它刺激H3R17 的甲基化，這個過程與轉錄活性相關聯，因而在體內組蛋白賴氨酸乙酰化和精氨酸甲基化之間存在著相互作用。2003年Ng等的研究顯示，H3K79 的甲基化對H4 的去乙酰化非常重要，并且H4K16 的乙酰化對H3K79 的甲基化也非常重要，進而相互拮抗。而2007 年Vermeulen 等的研究表明，H3K9和H3K14 的乙酰化能增強基本轉錄因子TFIID 與H3K4 三甲基化的結合。其原因可能是這兩種蛋白質修飾都與Sir 蛋白質相締合，而互相競爭。5.2 泛素化與甲基化Sun 等的研究表明，在酵母中泛素結合酶Rad6(Ubc2)通過對組蛋白H2BK123 泛素化這

25、一單向調控途徑來介導H3K4 甲基化，但是組蛋白H2BK123 的泛素化并不需要H3K4 的甲基化。Set1介導的H3K4 甲基化需要Rad6催化H2B的123位賴氨酸的泛素化。然而， Set1 基因的剔除并不會影響H2B K123泛素化，這提示二者之間存在一個調控途徑: H2B的泛素化在H3K4 甲基化的上游。Ng 等報道H2B K123 和H3K79 在核小體內的空間位置非常靠近，H2B K123 的泛素化對H3K79 的甲基化十分重要，在人類和酵母中，H2B泛素化能分別增強H3K79 的二甲基化和三甲基化。 McGinty 等使用化學方法使H2B 泛素化，直接刺激了hDot1L介導的H3K79甲基化。但反過來H3K79 的甲基化對H2B K123 的泛素化卻沒有影響，如圖6 所示。5.3 磷酸化與甲基化組蛋白H3S