表观遗传学修饰

组蛋白修饰

表观遗传学是指表观遗传学改变 (DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA 如 miRNA) 对 表观基因组基因表达的调节，这种调节不依赖基因序列的改变且可遗传表观。因素如 DNA 甲基化、组蛋白修饰和 miRNA 是对环境刺激因素变化的反映，这些表观遗传学因素相互作用以调节基因表达，控制细胞表型，所有这些表观遗传学因素都是维持机体内环境稳定所必需的，有助于正常生理功能的发挥。

组蛋白的翻译后修饰不仅与染色体的重塑和功能紧密相关，而且在决定细胞命运、细胞生长以及致癌作用的过程中发挥着重要的作用，如组蛋白磷酸化就在有丝分裂、细胞死亡、DNA 损伤修复、DNA 复制和重组过程中发挥着直接的作用。

组蛋白翻译后修饰多发生在组蛋白的 N-端尾部，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、ADP-核糖基化、泛素化和小分子泛素化修饰，这些修饰有助于其他蛋白质与 DNA 的结合，从而产生协同或者拮抗作用来调控基因转录。例如，乙酰化使组蛋白尾部正电荷减少，从而削弱了与带负电荷 DNA 骨架的作用，而促进染色质呈开放状态, 甲基化激活或抑制基因功能主要依赖于修饰的位点，主要与赖氨酸残基的单甲基化、双甲基化或三甲基化有关。

组蛋白修饰最基本的作用是调控基因表达。例如组蛋白甲基化多导致基因沉默，去甲基化则相反；乙酰化一般是转录激活，去乙酰化则相反。当然，也可在此基础上产生复杂的生物学效应。例如组蛋白去乙酰化酶 HDAC 可影响免疫系统；H3K4me3、H3K9me2 能够调控记忆的形成, 而且 H3K 甲基化与 X 染色体失活、基因组印记和异染色质形成有关；H3 乙酰化通过多种机制调控以来 ATP 的染色质重塑 [12]，并参与炎症反应；H2A、H2B 泛素化则与 DNA 损害反应有关；而 H3S28 磷酸化与 H3K27 乙酰化可激活转录并拮抗聚梳基因 polycomb 沉默，另外磷酸化不仅是某些信号转导通路的重要中间步骤，而且常与其他类型的修饰相互作用，共同参与细胞分裂、影响细胞周期。

乙酰化是这些修饰中研究得最多的。组蛋白乙酰化与基因活化以及 DNA 复制相关，组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关。乙酰化转移酶（HATs）主要是在组蛋白 H3、H4 的 N 端尾上的赖氨酸加上乙酰基，去乙酰化酶（HDACs）则相反，不同位置的修饰均需要特定的酶来完成。乙酰化酶家族可作为辅激活因子调控转录，调节细胞周期，参与 DNA 损伤修复，还可作为 DNA 结合蛋白。去乙酰化酶家族则和染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化和增殖以及细胞凋亡相关。

组蛋白乙酰化和去乙酰化

乙酰化修饰是一个在细胞核或细胞质的亚细胞器内广泛存在的翻译后修饰调控机制，参与了转录、趋化作用、新陈代谢、细胞信号转导、应激反应、蛋白质水解、细胞凋亡，以及神经元的发育等多个过程。赖氨酸乙酰化是一种典型的蛋白质翻译后修饰，最先在组蛋白中被发现。所以，起初的赖氨酸乙酰化研究一直集中于组蛋白领域 (Histone H1, H2, H3, H4)，研究人员发现这种修饰能够调节很多细胞功能，例如基因表达、核染色质重构和细胞周期。直到最近十年，赖氨酸乙酰化才被证明能够发生在除了组蛋白的其他蛋白质中，而且同样能够影响许多细胞内的调控过程。

自从发现第 1 个非组蛋白 p53 的赖氨酸乙酰化修饰以来，越来越多的赖氨酸乙酰化修饰被发现，其中转录因子占了相当的比重。Choudhary 等鉴定出 29 个转录因子上的 40 个乙酰化位点，这些赖氨酸乙酰化修饰的转录因子调控着细胞中不同的生物学过程。

（蛋白质乙酰化修饰研究进展）目前，对于 p53 的乙酰化修饰已经研究得较为清楚，在 p300/CBP 的催化下，p53 的 C 端 DNA 结合调控区域上发生多个赖氨酸位点的乙酰化修饰，从而激活 p53 上特异 DNA 结合区域的活化。还比如 AP-1，ATF-5，BMAL1，CBP,Cytokeratin，E2F-4,EF-1,HMG-1,Hsp90,Hsp70,ku-70,stat3,Ub,NF-E4,NF-Kb-p65 P73,Nrf2,P300,PTEN,Ref-1 等，修饰后的蛋白质可以对细胞内的各类通路进行精确的调节与控制。

组蛋白甲基化是指在组蛋白甲基转移酶催化下组蛋白 H3 和 H4 的 N 端赖氨酸或者精氨酸残基发生的甲基化，组蛋白赖氨酸甲基化由不同的特异性组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化。SUV39 蛋白是第一个被发现的组蛋白甲基转移酶，能特异性地使组蛋白 H3K9 甲基化。根据每一位点甲基化程度的不同，赖氨酸残基能分别被单甲基化、双甲基化和三甲基化。

组蛋白磷酸化在有丝分裂、细胞死亡、DNA 损伤修复、DNA 复制和重组过程中发挥着直接的作用。例如，组蛋白 H3N 端的磷酸化可能促进染色质在有丝分裂期间的凝集。在哺乳动物中，aurora B 是有丝分裂时 H3S10 磷酸化的激酶，但是在存在 aurora B 对 H3S10 的磷酸化是不够的。牛痘苗相关激酶 1 是哺乳动物 NHK1 的同系物，它能在体内和体外直接使组蛋白 H3T3 和 H3S10 磷酸化，而失去 VPK1 的活性，组蛋白 H3 的磷酸化也将减少。

组蛋白 H1 被细胞周期蛋白依赖的磷酸化是其翻译后主要的修饰作用。组蛋白 H1 的磷酸化能够影响 DNA 二级结构的改变和染色体凝集状态的改变。另一方面，组蛋白 H1 的磷酸化需要 DNA 的复制，并且激活 DNA 复制的蛋白激酶也促进组蛋白 H1 的磷酸化。组蛋白 H4 N 端的磷酸化可能促进染色质在有丝分裂期间的凝集。组蛋白 H1 的磷酸化能够影响 DNA 二级结构的改变和染色体凝集状态的改变。此外，组蛋白 H1 的磷酸化需要 DNA 的复制，并且激活 DNA 复制的蛋白激酶也促进组蛋白 H1 的磷酸化。因此，二者存在一个协同发生的机制。

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