表观遗传学-第三章-组蛋白修饰-ppt课件.ppt

1、表观遗传学表观遗传学第三章第三章 组蛋白修饰组蛋白修饰生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omDNADNA PackingPackingr 1. 如何将如何将10,000公里长的蚕公里长的蚕丝丝(半径半径10-5米米)装入一个篮装入一个篮球中。球中。r 2. 蚕丝的体积：蚕丝的体积：3.14*10-3m3r 3. 折叠、缠绕折叠、缠绕生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om染色体上不同的区域染色体上不同的区域r Euchromatin: 常染色质；常染色质；r Heterochromatin: 异染色异染色质质r E-H或或H-称为染色质重塑称为染色质重塑(Ch

2、romatin Remodeling)r 分子机理：分子机理：DNA甲基化，甲基化，组蛋白修饰组蛋白修饰，染色质重塑复，染色质重塑复合物的协同作用。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常染色质与异染色质r 1. 常染色质：基因表达常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结活跃的区域，染色体结构较为疏松构较为疏松r 2. 异染色质：基因表达异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结沉默的区域，染色体结构致密构致密核小体核小体常染色质Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC异染色质生物w秀w- 专 w.b心 bi

3、做 oo生 .c物 om组蛋白与核小体组蛋白与核小体生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHistoneHistone variantsvariants生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om组蛋白修饰组蛋白修饰生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om组蛋白修饰组蛋白修饰 (2)(2)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om主要的功能基团主要的功能基团r Acetylr Methylr Phosphorylr Ubiquitin生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigeneticEpigenetic di

4、fferencesdifferences：monozygoticmonozygotic twinstwins5mCH4 乙酰化乙酰化Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCH3 乙酰化乙酰化生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om组蛋白共价修饰的功能组蛋白共价修饰的功能r 基因转录、基因转录、DNA损伤修复、损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等复制、染色体凝聚等生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om内容纲要内容纲要rrrrr一、组蛋白的乙酰化一、组蛋白的乙酰化二、组蛋白的甲基化二、组蛋白的甲基化三、组蛋白的磷酸化三、组蛋白

5、的磷酸化四、组蛋白的泛素化四、组蛋白的泛素化五、组蛋白的五、组蛋白的SUMO化化r 六、组蛋白密码六、组蛋白密码Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om一、组蛋白的乙酰化一、组蛋白的乙酰化r 1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；上；r 2. 可逆的生化反应：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，增加组蛋分子

6、效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与白与DNA的排斥力的排斥力r 4. 生物学功能：生物学功能：| A. 基因转录活化基因转录活化| B. DNA损伤修复损伤修复生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化r 中和赖氨酸的正电荷，中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电，能够增加具有一定的负电，能够增加与与DNA的斥力，使得的斥力，使得DNA结构变得疏松，从而导致基因结构变得疏松，从而导致基因的转录活化的转录活化生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATsHATs：转乙酰基酶：转乙酰基酶生物w秀w- 专 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结构域结构域Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omBro

8、modomainBromodomainr 1. An acetyl-lysinebinding domainr 2. HATs修饰底物之后修饰底物之后可能与底物上的乙酰可能与底物上的乙酰化赖氨酸结合化赖氨酸结合生物w秀w- 专 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-like domai

9、n;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结构域结构域生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATHAT识别底物的分子机制识别底物的分子机制r A. hit-and-runmodel；r B. & C. attract-and-hit modelsr

10、 D. targeted actionmodelr E. relay model: 两个两个HAT先后修饰底物先后修饰底物r F. HIV Tat K50被被p300修饰后，招募修饰后，招募PCAF，再激活特定基因。再激活特定基因。(Bromodomain)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om人类人类IFN-IFN-基因的激活基因的激活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H3K14E. SWI/SNF的BRG1特异性识别H4K8;TFIID的TAFI

11、I250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蛋白质乙酰化调控基因转录蛋白质乙酰化调控基因转录r A. 乙酰化转录因子，使之与乙酰化转录因子，使之与DNA结结合能力增强；合能力增强；r B. 转录因子活化的结构域招募转录因子活化的结构域招募HATs复合物；复合物；r C. HAT复合物乙酰化组蛋白，打开复合物乙酰化组蛋白，打开染色质；染色质；r D. 转录激活；转录激活；r E. HAT复合物中的共激活子也被乙复合物中的共激活子也被乙酰化修饰；酰化修饰；r F. HAT复合物乙酰化之后离开，转复合物乙酰化之后离开，转录活性削弱。录活

12、性削弱。生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om组蛋白乙酰化：组蛋白乙酰化：DNADNA repairrepairr 1. DNA损伤修复：损伤修复：| A. Homologous recombination(HR)| B. Nonhomologous end-joining(NHEJ)r A. 完整的完整的DNA序列；序列；r B. 双链断裂；双链断裂；r C. NHEJ因子因子: (D) 修复因子与修复因子与(E)染色质重塑因子；染色质重塑因子；r F. 染色质重塑的构染色质重塑的构型，型，(G) 增大增大NHEJ局部浓度；局部浓度；r H. 直至修复直至修复生物w秀w-

13、专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHDACsHDACsr 1. Class I：HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8(定位于细胞核定位于细胞核)r 2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能够在细胞核与胞能够在细胞核与胞质间转运质间转运)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 omClassicalClass

14、ical HDACsHDACs生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHDACHDAC复合物复合物生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSirtuinsSirtuinsr 1. NAD-dependent protein deacetylaser 2. NAD: 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸r 3. ADP-ribosyl-transferase生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSirtuinsSirtuinsr 割裂割裂NAD，释放，释放nicotinamide (烟碱烟碱)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物

15、 omSirtuinsSirtuins：吃的少，活得长：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：延缓随年龄增大易发生的疾病和癌症，并显著延长寿命显著延长寿命r CR: AL小鼠小鼠60%的食物：引起的食物：引起SIRT1蛋白质表达量增加蛋白质表达量增加细胞中转入细胞中转入Bax或或Bax-Ku70复合复合物使得细胞凋亡率增加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 omBaxBax促使细胞凋亡促使细胞凋亡r 1. Ku70与与Bax结合；结合；r 2. 受到信号的刺激，受到信号的刺激，Ku70被乙

16、酰化，释放被乙酰化，释放Bax；r 3. 游离游离Bax穿入线粒体，引起细胞凋亡穿入线粒体，引起细胞凋亡BaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCKu70乙酰化乙酰化在线粒体上打在线粒体上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡Bax生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSIRT1:SIRT1: 减弱减弱BaxBax的细胞凋亡能力的细胞凋亡能力Ku70的的K539 & K542被被SIRT1去乙酰化去乙酰化生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omBaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC

17、Ku70乙酰化乙酰化在线粒体上打在线粒体上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡BaxSIRT1SIRT1SIRT1生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om乙酰化与去乙酰化乙酰化与去乙酰化r 转录因子招募转录因子招募HDAC抑制基因表达；抑制基因表达；r 招募招募HAT复合物激活基因表达。复合物激活基因表达。生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHDACHDAC InhibitorInhibitorr 1. 主要针对主要针对ClassicalHDACs；r 2. 激活保护性基因的表达激活保护性基因的表达r 3. 抗肿瘤新药抗肿瘤新药生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo

18、生 .c物 om二、组蛋白的甲基化二、组蛋白的甲基化r 1. 主要发生在赖氨酸主要发生在赖氨酸(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. 可逆的生化反应可逆的生化反应?r 5. 分子效应：增加赖氨酸上的疏水力分子效应：增加赖氨酸上的疏水力r 6. 生物学功能：生物学功能：|A. 基因转录活化基因转录活化B. 基因转录沉默基因转录沉默C. X染色体失活染色体失活D. 异染色质致密状

19、态异染色质致密状态 (heterochromatin compaction)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om精氨酸和赖氨酸甲基化的过程精氨酸和赖氨酸甲基化的过程生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omLysineLysine MethylationMethylationr 1. Mono-, di- or tri- methylationr 2. H3K9 & H3K27的的tri- methylation是沉默的异染色质的是沉默的异染色质的主要特征主要特征r 3. H3K9

20、的的di- methylation对于常染色质的基因表达是必对于常染色质的基因表达是必需的需的r 4. H4K20的的tri- methylation是癌症中的一个普遍现象是癌症中的一个普遍现象r 5. 有丝分裂期间，在动粒有丝分裂期间，在动粒(centromere)附近的附近的H3K9的的tri-methylation负责保证染色体顺利完成分裂负责保证染色体顺利完成分裂r 6. 在活化基因的在活化基因的5端和启动子区域，甲基化出现的模式为：端和启动子区域，甲基化出现的模式为：| A. H4K20的的mono- methylation| B. H3K4的的di- or tri- methyla

21、tion| C. H3K79的的di- methylation生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om赖氨酸甲基化的功能赖氨酸甲基化的功能生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHKMTsHKMTsr A. HKMTs的家族成员的家族成员以及各自的底物识别特以及各自的底物识别特异性；异性；r B. Methyl-lysine结合结合蛋白质蛋白质生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHKMTsHKMTsr 除了除了Dot1外，都具有外，都具有SET domain生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omr RNA polymeras

22、e II (Pol II)定位到基定位到基因启动子区域，与因启动子区域，与H3K4 & H3K36的的甲基转移酶甲基转移酶Set1, Set2 & Dot1相互作相互作用；用；r Activator (Act) 招募招募Rad6-Bre1复合复合物，并加载到物，并加载到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 转录延长过程中，转录延长过程中，Pol II的的Ser2被磷被磷酸化，促使酸化，促使Set1分离下来；分离下来；r 第一轮转录后，基因被标记为第一轮转录后，基因被标记为H3K4,H3K36 & H3K79甲基化甲基化

23、r H3K4被被Chd1识别后结合，识别后结合，招募招募SAGA复合物；复合物；r SAGA复合物乙酰化组蛋白复合物乙酰化组蛋白r 转录保持激活转录保持激活组蛋白赖氨酸甲基化与转录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 omArginineArginine MethylationMethylationr Type-I enzymes (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4,PRTM6 and PRMT8): -NG, NG,-asymmetricdimethylarginines (aDMA)r Type-II enzymes (PRMT5

24、and PRMT7): -NG, NG,-symmetric dimethylarginines (sDMA)生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omPRMTsPRMTs调控基因转录调控基因转录r CARM1/PRMT4 (coactivator-associated argininemethyltransferase 1): 修饰修饰H3R2, H3R17 & H3R26生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om组蛋白乙酰化、甲基化以及组蛋白乙酰化、甲基化以及DNADNA甲基化的关系甲基化的关系r A. MBD结合甲基化的结合甲基化的DNA,招募招募HDAC,

25、组蛋白去甲基组蛋白去甲基化化, 招募招募HMT, 甲基化组蛋甲基化组蛋白白, 转录沉默；转录沉默；r B. 组蛋白无乙酰化修饰组蛋白无乙酰化修饰,MBD结合甲基化的结合甲基化的DNA,再与再与SET结合，甲基化组结合，甲基化组蛋白蛋白;r C. 甲基化的组蛋白尾部招甲基化的组蛋白尾部招募募DNMT，对基因长期，对基因长期沉沉默默生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om异染色质与常染色质的基因沉默异染色质与常染色质的基因沉默r A. 异染色质沉默：组蛋异染色质沉默：组蛋白去乙酰化；甲基化白去乙酰化；甲基化H3K9；招募；招募HP1；形成；形成异染色质异染色质r B. 常染色质沉默

26、：转录常染色质沉默：转录因子因子E2F通过通过Rb招募招募HP1-Suv29h1；Suv29h1甲基化甲基化H3K9；HP1与与H3K9结合，沉默结合，沉默基因的表达基因的表达生物w秀w- 专 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- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omPADI4PADI4r Ca2+-dependentpeptidylargininedeiminase，将，将unmodified arginineand mono-methylatedarginine转变成转变成citrulline生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omL

27、SD1LSD1r A. mono- or di-methylated H3K4和和H3K9r D. 与与Co-REST复合复合物结合时，去除物结合时，去除H3K4的甲基化状的甲基化状态，沉默基因表达态，沉默基因表达r E. 与与AR结合时，去结合时，去除除H3K9的甲基化状的甲基化状态，激活基因的表达态，激活基因的表达Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCJmjC生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 omJmjCJmjC proteinsproteinsr JHDM1A: H3K36的去甲基酶的去甲基酶, mono- & di-r JHDM2: H3K9的去甲基酶的去甲基酶, mono- & di-r JHDM3/JMJD2: H3K9 or H3K36的的di- & tri-me生物w秀w- 专 w.b心 bi做 oo生 .c物 om组蛋白甲基化的遗传组蛋白甲基化的遗传r PC: Polycomb；招募；招募PRC2/EZH2，甲基化子染色质上的，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，特异性的转甲基酶，通过未知蛋白质，修饰子染色质上的修饰子染色质上的H4K20r 表观遗传信息的传递！表观遗传信息的传递！