國自然熱門領(lǐng)域解析：一文讀懂組蛋白修飾的奧秘
組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控的核心機(jī)制之一，通過共價修飾（如甲基化、乙酰化等）改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而精確調(diào)控基因表達(dá)，決定細(xì)胞的功能和發(fā)展方向。作為國家自然科學(xué)基金重點支持的研究領(lǐng)域，其分子機(jī)制和生物學(xué)功能已成為當(dāng)前生命科學(xué)研究的焦點。接下來，我們就來深入了解組蛋白修飾的具體情況。
組蛋白結(jié)構(gòu)
組蛋白是染色質(zhì)的核心組成成分，其獨特的結(jié)構(gòu)為基因調(diào)控奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。染色質(zhì)由DNA與蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物，核小體作為染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元，由147個堿基對的DNA緊密纏繞在組蛋白八聚體上構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)使得長達(dá)數(shù)米的DNA能夠有序地壓縮在微米級的細(xì)胞核內(nèi)，為基因的精準(zhǔn)調(diào)控提供了空間基礎(chǔ)。
組蛋白結(jié)構(gòu)
組蛋白是染色質(zhì)的核心組成成分，其獨特的結(jié)構(gòu)為基因調(diào)控奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。染色質(zhì)由DNA與蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物，核小體作為染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元，由147個堿基對的DNA緊密纏繞在組蛋白八聚體上構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)使得長達(dá)數(shù)米的DNA能夠有序地壓縮在微米級的細(xì)胞核內(nèi)，為基因的精準(zhǔn)調(diào)控提供了空間基礎(chǔ)。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
組蛋白八聚體由兩個H2A、兩個H2B、兩個H3和兩個H4分子組成。在其組裝過程中，H2A與H2B先形成異二聚體，H3與H4亦形成異二聚體，兩個H3-H4二聚體相互結(jié)合形成四聚體，隨后兩側(cè)各結(jié)合一個H2A-H2B二聚體，最終構(gòu)成穩(wěn)定的八聚體結(jié)構(gòu)，為DNA提供了穩(wěn)定的纏繞支架。
值得注意的是，組蛋白存在著豐富的N末端尾巴結(jié)構(gòu)。這些尾巴從核小體的表面伸出，由于缺乏穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出松散的構(gòu)象。這種結(jié)構(gòu)特點使得N末端富含的賴氨酸、精氨酸、絲氨酸等氨基酸殘基能夠充分暴露，成為組蛋白修飾的主要靶點。以H3組蛋白為例，其N末端的賴氨酸殘基可發(fā)生乙�；�、甲基化等多種修飾，這些修飾事件能夠直接影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)動態(tài)性與基因的表達(dá)活性。
組蛋白修飾常見類型
組蛋白修飾是一個高度復(fù)雜且精密調(diào)控的過程，主要包括乙�；�、甲基化、磷酸化、泛素化等修飾類型。這些修飾事件猶如生物體內(nèi)的“分子密碼”，通過改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與功能特性，實現(xiàn)對基因表達(dá)的精準(zhǔn)調(diào)控。
值得注意的是，組蛋白存在著豐富的N末端尾巴結(jié)構(gòu)。這些尾巴從核小體的表面伸出，由于缺乏穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出松散的構(gòu)象。這種結(jié)構(gòu)特點使得N末端富含的賴氨酸、精氨酸、絲氨酸等氨基酸殘基能夠充分暴露，成為組蛋白修飾的主要靶點。以H3組蛋白為例，其N末端的賴氨酸殘基可發(fā)生乙�；�、甲基化等多種修飾，這些修飾事件能夠直接影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)動態(tài)性與基因的表達(dá)活性。
組蛋白修飾常見類型
組蛋白修飾是一個高度復(fù)雜且精密調(diào)控的過程，主要包括乙�；�、甲基化、磷酸化、泛素化等修飾類型。這些修飾事件猶如生物體內(nèi)的“分子密碼”，通過改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與功能特性，實現(xiàn)對基因表達(dá)的精準(zhǔn)調(diào)控。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
乙酰化
乙酰化是研究較早且較深入的修飾類型，主要發(fā)生在組蛋白N末端的賴氨酸殘基上：
組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（ histone acetyltransferase，HAT）負(fù)責(zé)給賴氨酸殘基加上乙酰基；
而組蛋白去乙�；福╤istone deacetylase，HDAC）則負(fù)責(zé)去除乙�；�
當(dāng)乙酰基被加上后，賴氨酸殘基的正電荷被中和，DNA與組蛋白之間的靜電引力減弱，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得松散，DNA就能更輕松地與轉(zhuǎn)錄因子等蛋白結(jié)合，從而促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。例如，H3組蛋白上K9和K27的乙酰化（H3K9ac和H3K27ac），就常與活性基因的增強(qiáng)子和啟動子“相伴”，在細(xì)胞周期調(diào)控、增殖和凋亡等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。一旦這種平衡被打破，就可能引發(fā)疾病。
乙酰化是研究較早且較深入的修飾類型，主要發(fā)生在組蛋白N末端的賴氨酸殘基上：
組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（ histone acetyltransferase，HAT）負(fù)責(zé)給賴氨酸殘基加上乙酰基；
而組蛋白去乙�；福╤istone deacetylase，HDAC）則負(fù)責(zé)去除乙�；�
當(dāng)乙酰基被加上后，賴氨酸殘基的正電荷被中和，DNA與組蛋白之間的靜電引力減弱，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得松散，DNA就能更輕松地與轉(zhuǎn)錄因子等蛋白結(jié)合，從而促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。例如，H3組蛋白上K9和K27的乙酰化（H3K9ac和H3K27ac），就常與活性基因的增強(qiáng)子和啟動子“相伴”，在細(xì)胞周期調(diào)控、增殖和凋亡等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。一旦這種平衡被打破，就可能引發(fā)疾病。
引自Fallah MS, Szarics D, Robson CM, Eubanks JH. Impaired Regulation of Histone Methylation and Acetylation Underlies Specific Neurodevelopmental Disorders. Front Genet. 2021 Jan 8;11:613098.
甲基化
組蛋白甲基化可以發(fā)生在賴氨酸或精氨酸殘基上，且修飾位點和修飾程度（單甲基化、雙甲基化、三甲基化）不同，對基因轉(zhuǎn)錄的影響也各異。與乙�；淖冸姾刹煌谆⒉桓淖兘M蛋白的電荷性質(zhì)。
精氨酸甲基化一般促進(jìn)轉(zhuǎn)錄激活，而賴氨酸甲基化既可以與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)，也能參與轉(zhuǎn)錄抑制：
H3K4me1（組蛋白H3的K4位點單甲基化）通常標(biāo)記轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子；
H3K4me3（三甲基化）標(biāo)記基因啟動子，是基因活化的標(biāo)志；
而H3的K9和K27位點的三甲基化（H3K9me3和H3K27me3）則是抑制信號。其中H3K27me3在胚胎干細(xì)胞中調(diào)控發(fā)育相關(guān)基因的啟動子區(qū)域，H3K9me3則在衛(wèi)星重復(fù)序列、端粒等基因貧乏的染色體區(qū)域形成異染色質(zhì)，讓基因“沉默”，它們還會出現(xiàn)在失活的X染色體上，但分布區(qū)域有所不同。
組蛋白甲基化修飾由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferases，HMTs）催化，同時組蛋白去甲基化酶（histone demethylases，HDMs）能夠去除甲基標(biāo)記，二者共同維持甲基化修飾的動態(tài)平衡，實現(xiàn)對基因表達(dá)的精細(xì)調(diào)控。
引自Fallah MS, Szarics D, Robson CM, Eubanks JH. Impaired Regulation of Histone Methylation and Acetylation Underlies Specific Neurodevelopmental Disorders. Front Genet. 2021 Jan 8;11:613098.
磷酸化
組蛋白磷酸化在細(xì)胞分裂、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及DNA損傷修復(fù)等過程中至關(guān)重要。所有核心組蛋白上都有可能發(fā)生磷酸化，不同的磷酸化位點具有不同的功能。例如，組蛋白H3在絲氨酸10和28上的磷酸化，以及組蛋白H2A在T120上的磷酸化，參與有絲分裂過程中染色質(zhì)的致密化，調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能，是細(xì)胞周期和生長的重要標(biāo)志；H2AX在S139處的磷酸化（產(chǎn)生γH2AX）則是DNA雙鏈斷裂后最早發(fā)生的事件之一，能夠招募DNA損傷修復(fù)蛋白。
與乙�；图谆啾龋姿峄袷且粋�“橋梁”，建立其他修飾之間的相互作用，為效應(yīng)蛋白提供結(jié)合平臺，引發(fā)下游級聯(lián)反應(yīng)。
引自Banerjee T, Chakravarti D. A peek into the complex realm of histone phosphorylation. Molecular and Cellular Biology [J]. 2011 Dec;31(24):4858-4873.
泛素化
泛素化修飾主要發(fā)生于H2A和H2B組蛋白，是重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式。H2A的泛素化通常與基因沉默相關(guān)，其通過改變?nèi)旧|(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，從而抑制基因表達(dá)；而H2B的泛素化則與轉(zhuǎn)錄激活過程密切相關(guān)，能夠促進(jìn)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的開放，為轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝創(chuàng)造條件。此外，在DNA損傷修復(fù)過程中，泛素化修飾能夠招募相關(guān)修復(fù)蛋白，參與損傷識別、信號傳導(dǎo)以及修復(fù)執(zhí)行等多個環(huán)節(jié)，保障基因組的完整性。
泛素化修飾主要發(fā)生于H2A和H2B組蛋白，是重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式。H2A的泛素化通常與基因沉默相關(guān)，其通過改變?nèi)旧|(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，阻礙轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，從而抑制基因表達(dá)；而H2B的泛素化則與轉(zhuǎn)錄激活過程密切相關(guān)，能夠促進(jìn)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的開放，為轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的組裝創(chuàng)造條件。此外，在DNA損傷修復(fù)過程中，泛素化修飾能夠招募相關(guān)修復(fù)蛋白，參與損傷識別、信號傳導(dǎo)以及修復(fù)執(zhí)行等多個環(huán)節(jié)，保障基因組的完整性。
圖片來源于張卿義，張櫻子，沈凱，等.組蛋白泛素化修飾及其在DNA損傷應(yīng)答中的作用[J].遺傳，2019,41(01)：2940.DOl:10.16288/j.yczz.18-112.
組蛋白修飾的“調(diào)控鐵三角”
組蛋白修飾的精準(zhǔn)調(diào)控，離不開這個“書寫者（Writers）-擦除者（Erasers）-閱讀者（Readers）”核心系統(tǒng)。
書寫者（Writers）：書寫者酶負(fù)責(zé)在組蛋白特定氨基酸殘基上添加修飾基團(tuán)。例如，HAT 家族中的p300/CBP可催化H3和H4多個賴氨酸位點的乙�；蜷_染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；SUV39H1作為HMT家族成員，能夠特異性催化H3K9的甲基化，介導(dǎo)異染色質(zhì)形成與基因沉默。這些酶往往具有高度的底物特異性和位點選擇性，確保修飾的精準(zhǔn)性。
擦除者（Erasers）：擦除者酶承擔(dān)著去除修飾基團(tuán)的重要功能，維持修飾水平的動態(tài)平衡。HDAC1和HDAC2 可快速去除乙�；瘶�(biāo)記，使染色質(zhì)重新變得緊密，抑制基因表達(dá)；JMJD2家族的去甲基化酶則能特異性去除 H3K9me3 等甲基化修飾，逆轉(zhuǎn)基因沉默狀態(tài)。擦除者與書寫者之間的拮抗作用，使得組蛋白修飾處于動態(tài)變化之中，以適應(yīng)細(xì)胞不同生理狀態(tài)的需求。
閱讀者（Readers）：閱讀者蛋白含有特定的結(jié)構(gòu)域，能夠特異性識別并結(jié)合修飾后的組蛋白。含溴域的蛋白可識別乙酰化賴氨酸，如BRD4結(jié)合H3K27ac后，招募轉(zhuǎn)錄相關(guān)復(fù)合物，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；含chromodomain的蛋白可識別甲基化賴氨酸，像HP1結(jié)合H3K9me3后，誘導(dǎo)染色質(zhì)凝集，實現(xiàn)基因沉默。閱讀者蛋白通過與修飾組蛋白的結(jié)合，進(jìn)一步招募下游效應(yīng)蛋白，將修飾信號轉(zhuǎn)化為生物學(xué)效應(yīng)。
組蛋白修飾的精準(zhǔn)調(diào)控，離不開這個“書寫者（Writers）-擦除者（Erasers）-閱讀者（Readers）”核心系統(tǒng)。
書寫者（Writers）：書寫者酶負(fù)責(zé)在組蛋白特定氨基酸殘基上添加修飾基團(tuán)。例如，HAT 家族中的p300/CBP可催化H3和H4多個賴氨酸位點的乙�；蜷_染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；SUV39H1作為HMT家族成員，能夠特異性催化H3K9的甲基化，介導(dǎo)異染色質(zhì)形成與基因沉默。這些酶往往具有高度的底物特異性和位點選擇性，確保修飾的精準(zhǔn)性。
擦除者（Erasers）：擦除者酶承擔(dān)著去除修飾基團(tuán)的重要功能，維持修飾水平的動態(tài)平衡。HDAC1和HDAC2 可快速去除乙�；瘶�(biāo)記，使染色質(zhì)重新變得緊密，抑制基因表達(dá)；JMJD2家族的去甲基化酶則能特異性去除 H3K9me3 等甲基化修飾，逆轉(zhuǎn)基因沉默狀態(tài)。擦除者與書寫者之間的拮抗作用，使得組蛋白修飾處于動態(tài)變化之中，以適應(yīng)細(xì)胞不同生理狀態(tài)的需求。
閱讀者（Readers）：閱讀者蛋白含有特定的結(jié)構(gòu)域，能夠特異性識別并結(jié)合修飾后的組蛋白。含溴域的蛋白可識別乙酰化賴氨酸，如BRD4結(jié)合H3K27ac后，招募轉(zhuǎn)錄相關(guān)復(fù)合物，促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；含chromodomain的蛋白可識別甲基化賴氨酸，像HP1結(jié)合H3K9me3后，誘導(dǎo)染色質(zhì)凝集，實現(xiàn)基因沉默。閱讀者蛋白通過與修飾組蛋白的結(jié)合，進(jìn)一步招募下游效應(yīng)蛋白，將修飾信號轉(zhuǎn)化為生物學(xué)效應(yīng)。
圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
組蛋白修飾的經(jīng)典研究技術(shù)
染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)（ChIP）是研究組蛋白修飾的經(jīng)典方法。其基本原理是利用特異性抗體識別并結(jié)合帶有特定修飾的組蛋白，通過免疫沉淀的方法分離與組蛋白結(jié)合的DNA片段，經(jīng)純化后可結(jié)合qPCR（ChIP-qPCR）或高通量測序（ChIP-seq）進(jìn)行檢測。ChIP-seq 能在全基因組范圍內(nèi)精確繪制組蛋白修飾圖譜，大大提高了研究的分辨率和準(zhǔn)確性。
近年來，CUT&Tag、CUT&RUN等新興技術(shù)在ChIP的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。相較于傳統(tǒng)ChIP技術(shù)，它們在實驗操作上更為簡便，大幅降低了樣本需求量，并且在數(shù)據(jù)質(zhì)量上有顯著提升，能夠更高效、靈敏地檢測組蛋白修飾，為組蛋白修飾研究提供了新的高效手段，進(jìn)一步推動了該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
參考文獻(xiàn)
[1] Yang X J. The diverse superfamily of histone acetyltransferases and their roles in leukemia and solid tumors[J]. Nucleic Acids Research, 2004, 32(18): 5678-5692.
[2] Bernstein B E, Meissner A, Lander E S. The mammalian epigenome[J]. Cell, 2007, 128(4): 669-681.
[3] Simon J A, Kingston R E. Mechanisms of Polycomb group gene silencing: knowns and unknowns[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2009, 10(11): 697-708.
[4] Cheung P, Tanner K G, Cheung W L, et al. Synergistic methylation and phosphorylation of histone H3 and their role in chromatin transcription[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2000, 97(15): 8108-8113.
[5] Rogakou E P, Pilch D R, Orr A H, et al. DNA double - strand breaks induce histone H2AX phosphorylation on serine 139[J]. The Journal of Biological Chemistry, 1998, 273(10): 5858-5868.
[6] Huen M S Y, Grant R, Manke I, et al. MDC1 directly binds phosphorylated histone H2AX to regulate cellular responses to DNA double - strand breaks[J]. The Journal of Cell Biology, 2007, 172(2): 181-193.
[7] van Attikum H, Huen M S Y, Chen J, et al. Recruitment of 53BP1 to DNA damage sites is mediated by interaction with phosphorylated histone H2AX[J]. The Journal of Cell Biology, 2007, 172(2): 131-139.
染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)（ChIP）是研究組蛋白修飾的經(jīng)典方法。其基本原理是利用特異性抗體識別并結(jié)合帶有特定修飾的組蛋白，通過免疫沉淀的方法分離與組蛋白結(jié)合的DNA片段，經(jīng)純化后可結(jié)合qPCR（ChIP-qPCR）或高通量測序（ChIP-seq）進(jìn)行檢測。ChIP-seq 能在全基因組范圍內(nèi)精確繪制組蛋白修飾圖譜，大大提高了研究的分辨率和準(zhǔn)確性。
近年來，CUT&Tag、CUT&RUN等新興技術(shù)在ChIP的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。相較于傳統(tǒng)ChIP技術(shù)，它們在實驗操作上更為簡便，大幅降低了樣本需求量，并且在數(shù)據(jù)質(zhì)量上有顯著提升，能夠更高效、靈敏地檢測組蛋白修飾，為組蛋白修飾研究提供了新的高效手段，進(jìn)一步推動了該領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
參考文獻(xiàn)
[1] Yang X J. The diverse superfamily of histone acetyltransferases and their roles in leukemia and solid tumors[J]. Nucleic Acids Research, 2004, 32(18): 5678-5692.
[2] Bernstein B E, Meissner A, Lander E S. The mammalian epigenome[J]. Cell, 2007, 128(4): 669-681.
[3] Simon J A, Kingston R E. Mechanisms of Polycomb group gene silencing: knowns and unknowns[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2009, 10(11): 697-708.
[4] Cheung P, Tanner K G, Cheung W L, et al. Synergistic methylation and phosphorylation of histone H3 and their role in chromatin transcription[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2000, 97(15): 8108-8113.
[5] Rogakou E P, Pilch D R, Orr A H, et al. DNA double - strand breaks induce histone H2AX phosphorylation on serine 139[J]. The Journal of Biological Chemistry, 1998, 273(10): 5858-5868.
[6] Huen M S Y, Grant R, Manke I, et al. MDC1 directly binds phosphorylated histone H2AX to regulate cellular responses to DNA double - strand breaks[J]. The Journal of Cell Biology, 2007, 172(2): 181-193.
[7] van Attikum H, Huen M S Y, Chen J, et al. Recruitment of 53BP1 to DNA damage sites is mediated by interaction with phosphorylated histone H2AX[J]. The Journal of Cell Biology, 2007, 172(2): 131-139.
Copyright(C) 1998-2025 生物器材網(wǎng) 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com