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1、Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,表观遗传学,第三章 组蛋白修饰,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,DNA Packing,r 1. 如何将10,000公里长的蚕,丝(半径10-5米)装入一个篮,球中。,r 2. 蚕丝的体积：3.14*10-3m3r 3. 折叠、缠绕,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, UST
2、C,染色体上不同的区域,r Euchromatin: 常染色质；r Heterochromatin: 异染色,质,r E-H或H-称为染色质重塑,(Chromatin Remodeling)r 分子机理：DNA甲基化，,组蛋白修饰，染色质重塑复合物的协同作用。,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,常染色质与异染色质r 1. 常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松r 2. 异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结构致密核小体,常染色质Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,异染色质,生,物,w,秀,w,-
3、 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白与核小体,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Histone variants,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白修饰,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,E
4、pigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白修饰 (2),生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,主要的功能基团,r Acetyl,r Methyl,r Phosphoryl,r Ubiquitin,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetic differences：monozygotic twins,5mC,H4 乙酰化Epigenetics, 2008-2009, Semes
5、ter 1, USTC,H3 乙酰化,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白共价修饰的功能,r 基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,内容纲要,rrrrr,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,r 六、组蛋白密码Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,生,物,w,秀,w,- 专
6、w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,一、组蛋白的乙酰化,r 1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；r 2. 可逆的生化反应：,| A. Histone acetyltransferase，HAT (30)| B. Histone deacetylase, HDAC (18),r 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r 4. 生物学功能：,| A. 基因转录活化| B. DNA损伤修复,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epi
7、genetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白的乙酰化,r 中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电，能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得疏松，从而导致基因,的转录活化,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,HATs：转乙酰基酶,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Gcn5/PCAF & p300/CBP,Gcn5/PCAFp300/CBP,Br, bromodomain;Nr, nucle
8、ar receptor-interacting box;CH, cysteine/histidine-rich module;,KIX, phospho-CREBinteracting module;Q, glutamine-richdomain.具有保守的HAT结构域Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Bromodomain,r 1. An acetyl-lysine,binding do
9、main,r 2. HATs修饰底物之后,可能与底物上的乙酰化赖氨酸结合,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,HATs: MYST(MOZ-Ybf2/Sas3-Sas2-TIP60),Chromo, chromodomain;,Ser, serine-rich domain;CH, cysteine/histidine-richmotif;H15, linker histones H1-and H5-like domain;NEMM, N-terminal part ofEnok, MOZ or MORF;PHD, PHD zinc finger;ED
10、, glutamate/aspartate-rich region;SM, serine/methionine-richdomainEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,具有保守的MYST结构域,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,HAT识别底物的分子机制,r A. hit-and-run,model；,r B. & C. attract-and-,hit models,r D. targeted action,model,r
11、E. relay model: 两个,HAT先后修饰底物,r F. HIV Tat K50被p300,修饰后，招募PCAF，,再激活特定基因。,(Bromodomain),生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,人类IFN-基因的激活,A. DNA code: 序列模,体、甲基化模式,B. GCN5结合到启动子/增强子上,C. 修饰H4K8和H3K9D. H3S10被RSK-2磷酸化，促使GCN5修饰H3K14,E. SWI/SNF的BRG1特异性识别H4K8;TFIID的T
12、AFII250识别H3K9和H3K14, 从而激活IFN-,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,蛋白质乙酰化调控基因转录,r A. 乙酰化转录因子，使之与DNA结,合能力增强；,r B. 转录因子活化的结构域招募HATs,复合物；,r C. HAT复合物乙酰化组蛋白，打开,染色质；,r D. 转录激活；,r E. HAT复合物中的共激活子也被乙,酰化修饰；,r F. HAT复合物乙酰化之后离开，转,录活性削弱。,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生
13、 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白乙酰化：DNA repair,r 1. DNA损伤修复：,| A. Homologous recombination,(HR),| B. Nonhomologous end-joining,(NHEJ),r A. 完整的DNA序列；r B. 双链断裂；,r C. NHEJ因子: (D) 修复因子与(E),染色质重塑因子；,r F. 染色质重塑的构型，(G) 增大,NHEJ局部浓度；,r H. 直至修复,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epige
14、netics, 2008-2009, Semester 1, USTC,HDACs,r 1. Class I：HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8,(定位于细胞核),r 2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能够在细胞核与胞质间转运),r 3. Class III：Sirtuins (SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7),r 4. Class IV：HDAC11,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epige
15、netics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Classical HDACs,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,HDAC复合物,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Sirtuins,r 1. NAD-dependent protein deacetylaser 2. NAD: 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸r 3. ADP-ribo
16、syl-transferase,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Sirtuins,r 割裂NAD，释放nicotinamide (烟碱),生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Sirtuins：吃的少，活得长,r caloric restriction (CR)：延缓随年龄增大易发生的疾病和癌症，并,显著延长寿命,r CR: AL小鼠60%的食物：
17、引起SIRT1蛋白质表达量增加,细胞中转入Bax或Bax-Ku70复合,物使得细胞凋亡率增加,？,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Bax促使细胞凋亡r 1. Ku70与Bax结合；r 2. 受到信号的刺激，Ku70被乙酰化，释放Bax；r 3. 游离Bax穿入线粒体，引起细胞凋亡,BaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Ku70,乙酰化,在线粒体上打洞，促使凋亡,Bax,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Sem
18、ester 1, USTC,SIRT1: 减弱Bax的细胞凋亡能力,Ku70的K539 & K542被SIRT1去乙酰化,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,BaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Ku70,乙酰化,在线粒体上打洞，促使凋亡,Bax,SIRT1SIRT1,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,乙酰化与去乙酰化,r 转录因子招募HDAC抑制基因表达；r 招募HAT复合物激
19、活基因表达。,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,HDAC Inhibitor,r 1. 主要针对Classical,HDACs；,r 2. 激活保护性基因的表达r 3. 抗肿瘤新药,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,二、组蛋白的甲基化r 1. 主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；r 2. Long-term；r 3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs.PRMTs (p
20、rotein arginine methyltransferases)r 4. 可逆的生化反应?r 5. 分子效应：增加赖氨酸上的疏水力r 6. 生物学功能：,|,A. 基因转录活化B. 基因转录沉默C. X染色体失活D. 异染色质致密状态 (heterochromatin compaction)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,精氨酸和赖氨酸甲基化的过程,生,物,w,秀,w,- 专 w,
21、.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Lysine Methylation,r 1. Mono-, di- or tri- methylation,r 2. H3K9 & H3K27的tri- methylation是沉默的异染色质的,主要特征,r 3. H3K9的di- methylation对于常染色质的基因表达是必,需的,r 4. H4K20的tri- methylation是癌症中的一个普遍现象r 5. 有丝分裂期间，在动粒(centromere)附近的H3K9的tri-,methylation负
22、责保证染色体顺利完成分裂,r 6. 在活化基因的5端和启动子区域，甲基化出现的模式为：,| A. H4K20的mono- methylation| B. H3K4的di- or tri- methylation| C. H3K79的di- methylation,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,赖氨酸甲基化的功能,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, UST
23、C,HKMTs,r A. HKMTs的家族成员,以及各自的底物识别特异性；,r B. Methyl-lysine结合,蛋白质,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,HKMTs,r 除了Dot1外，都具有SET domain,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,r RNA polymerase II (Pol II)定位到基,因启动子区域，与H3K4 &
24、 H3K36的甲基转移酶Set1, Set2 & Dot1相互作,用；,r Activator (Act) 招募Rad6-Bre1复合,物，并加载到Pol II上,r Rad6-Bre1泛素化H2B，促使H3K4,和H3K79的甲基化；,r 转录延长过程中，Pol II的Ser2被磷,酸化，促使Set1分离下来；,r 第一轮转录后，基因被标记为H3K4,H3K36 & H3K79甲基化,r H3K4被Chd1识别后结合，招募,SAGA复合物；,r SAGA复合物乙酰化组蛋白r 转录保持激活,组蛋白赖氨酸甲基化与转录,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,
25、Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,Arginine Methylation,r Type-I enzymes (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4,PRTM6 and PRMT8): -NG, NG,-asymmetricdimethylarginines (aDMA),r Type-II enzymes (PRMT5 and PRMT7): -NG, NG,-,symmetric dimethylarginines (sDMA),生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetic
26、s, 2008-2009, Semester 1, USTC,PRMTs调控基因转录,r CARM1/PRMT4 (coactivator-associated argininemethyltransferase 1): 修饰H3R2, H3R17 & H3R26,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系,r A. MBD结合甲基化的DNA,招募HDAC, 组蛋白去甲基化, 招募HMT, 甲基化组蛋白, 转录沉默；,r B. 组蛋白无
27、乙酰化修饰,MBD结合甲基化的DNA,再与SET结合，甲基化组蛋白;,r C. 甲基化的组蛋白尾部招,募DNMT，对基因长期沉,默,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,异染色质与常染色质的基因沉默,r A. 异染色质沉默：组蛋,白去乙酰化；甲基化,H3K9；招募HP1；形成,异染色质,r B. 常染色质沉默：转录,因子E2F通过Rb招募HP1-Suv29h1；,Suv29h1甲基化H3K9；HP1与H3K9结合，沉默,基因的表达,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心
28、bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,去甲基化酶,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,PADI4,r Ca2+-dependent,eptidylargininedeiminase，将,unmodified arginineand mono-methylatedarginine转变成citrulline,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,LSD1r
29、A. mono- or di-methylated H3K4和H3K9r D. 与Co-REST复合物结合时，去除H3K4的甲基化状态，沉默基因表达,r E. 与AR结合时，去除H3K9的甲基化状态，激活基因的表达Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,JmjC,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,JmjC proteins,r JHDM1A: H3K36的去甲基酶, mono- & di-r JHDM2: H3K9的去甲基酶, mono- & di-,r JHDM3/JMJD2: H3K9 or H3K36的di- & tri-me,生,物,w,秀,w,- 专 w,.b,心 bi,做 oo,生 .c,物 om,Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC,组蛋白甲基化的遗传,r PC: Polycomb；招募PRC2/EZH2，甲基化子染色质上的,H3K27;,r PR-SET7: H4K20特异性的转甲基酶，通过未知蛋白质，,修饰子染色质上的H4K20r 表观遗传信息的传递！,
