全部
  • 全部
  • 产品管理
  • 新闻资讯
  • 介绍内容

组蛋白翻译后修饰在基因组功能中的复杂作用机制

2023-11-14


组蛋白及其翻译后修饰(PTM)在调控基因组功能中扮演关键角色,然而其分子机制至今仍不甚明了。本文将分享Millán-Zambrano等人在《自然遗传学评论》杂志上发表的综述文章,文中系统性地讨论了不同类型的PTM如何协同调控DNA模板过程,包括转录、重组、DNA修复和复制,以及PTM如何参与建立染色质高级结构。该综述总结了当前对PTM理解不足的情况,为解析PTM的多重作用提供了有益的框架。

1.背景

几乎每个细胞都包含相同的基因组序列,但这些序列必须在相对较小的细胞核内高度压缩,并保持可访问性以进行基因表达。这一问题的解决方案在于DNA分子与组蛋白及其修饰物结合,形成染色质。目前广泛接受的观点认为,染色质化的DNA最终会折叠成相对稳定的高级(压缩)染色体结构,因此必须解压缩才能启动DNA基础的过程,如转录。然而,越来越多的证据表明,染色质的实际空间和时间组织比这个简单模型所暗示的要复杂和多变。染色质代表的不仅仅是被动的包装结构,它是一个动态的支架,能够响应特定信号,以调节各种细胞机制对DNA的可访问性。

组蛋白及其翻译后修饰(PTM)通过高度规范的空间和时间调控模式被写入特定的基因组区域,并构建出一个极其复杂的标记图谱。随着ChIP-seq等技术的发展,人们认识到特定的功能性基因组区域,如活跃基因和增强子,具有相应的PTM组合模式。同样,广泛的基因组区域,如沉默染色质和其对照物(抑制转录的异染色质),也分别显示出特定的组蛋白PTM图谱。总的来说,沉默和异染色质区域进一步分解为三维的自互作用结构域。所有这些结构域的形成都涉及相分离,比如异染色质结构域、超级增强子以及它们与启动子的特定相互作用。深入理解组蛋白修饰如何影响这些过程和结构,对于解读它们在细胞中的真正作用至关重要。

2.转录中的PTM大量的PTM高度富集于基因上,它们与转录活性之间存在正相关或负相关的关系。关于PTM与基因表达的相关性,早在50多年前就有研究报道,当时的研究发现组蛋白乙酰化显著地减轻了DNA聚合酶与组蛋白结合对转录的抑制作用。这主要是因为赖氨酸残基的正电荷被中和,改变了组蛋白的基本性质,导致染色质结构更加松散。因此,组蛋白乙酰化通常与转录活性相关,这种PTM富集在活跃的启动子、增强子和其他可访问的染色质区域中。重要的是,组蛋白乙酰化可以直接提高体外转录速率。此外,组蛋白乙酰化被认为可以产生积累和冗余效应,因为去除组蛋白尾巴上的任何一个乙酰化位点通常对转录影响有限。除了乙酰化,赖氨酸残基还可以发生多种长链酰化,尽管其丰度通常远低于乙酰化。这些组蛋白长链酰化通常与转录有关。一个最佳的研究实例是组蛋白丙烯基化(crotonylation),最初被认为是广泛存在的修饰,正向调控转录。尽管在酵母中丙烯基化也与基因表达的抑制有关,但这种明显的不一致性可能是由于不同结合蛋白的招募而引起的。早期研究表明组蛋白甲基化的整体水平与转录活性无关。然而,甲基化的效应比乙酰化更加复杂,部分原因是因为这些标记可以存在于精氨酸和赖氨酸残基上的三种不同状态。赖氨酸甲基化对核小体结构的影响似乎是非特异的。对于许多与转录相关的组蛋白修饰,仍然缺乏直接证据表明它们在调控转录中起因果作用。下面将根据PTM的位置简要介绍它们在转录调控中的作用。

2.1组蛋白尾端PTM

图1.组蛋白尾端翻译后修饰类型

H3K4me3是研究最深入的与转录相关的组蛋白修饰,通常在真核生物中的大多数活跃基因的启动子区域富集,峰值出现在转录起始位点(TSS)周围。H3K4me3有助于招募转录机器,也可能有助于启动转录。然而,来自各种模型系统的功能试验结果表明,H3K4me3对于大多数转录并非必需。相反,H3K4me3的局部添加可以适度激活基因表达,这种效应高度依赖当前微环境。因此,在大多数活跃启动子中观察到的H3K4me3高度保守性的确切作用仍不清楚。H3K4me1和H3K27Ac也经常标记在活跃的增强子附近。有趣的是,这些标记的写入酶(writer)的缺失对基因活性和发育的影响相对较小,暗示这些标记本身可能不是增强子功能所必需的。H3K36me3与活跃的转录区域高度相关,这是由于RNA聚合酶II招募H3K36甲基转移酶SETD2的结果。尽管H3K36me3似乎不是转录延伸的必需条件,但它可以通过组蛋白去乙酰化和DNA甲基化来抑制隐性转录。H3K27me3和H2A泛素化是相对性异染色质(facultative heterochromatin)的重要特征,由Polycomb复合物PRC2和PRC1产生。尽管这些Polycom复合物对于维持特异细胞类型基因的沉默至关重要,但H3K27me3和H2A泛素化对基因沉默的贡献尚不完全明确。构成性异染色质的标志H3K9me3富集在转录沉默的基因组区域,如着丝粒和端粒的相关序列。尽管H3K9me3与转录紧密相关,但在早期小鼠胚胎中,H3K9me3似乎不参与转录抑制。上述研究中所涉及的组蛋白尾端修饰示例表明,它们在基因转录中具有可变的、依赖具体环境的效应。越来越多的证据表明,与沉默染色质相关的组蛋白尾端修饰通常对于转录活性具有指导作用,而富集在活跃染色质中的组蛋白甲基化通常不具备这种指导功能。在许多情况下,组蛋白尾端修饰对于转录状态具有响应性,并结合作用以招募或排除特定的染色质蛋白和/或转录因子。因此,这些染色质蛋白和/或转录因子的集体存在强化了基因表达程序。

2.2组蛋白核心区域PTM

图2.组蛋白核心区域翻译后修饰类型

相比之下,在过去的15年中,对于组蛋白核心域修饰的研究提供了新的见解。组蛋白八聚体的侧面直接接触DNA,使得相较于组蛋白尾端,它们更难受到修饰。然而,核小体并非静态实体,其中的DNA会自发地脱包裹和再包裹到侧面。因此,这为组蛋白修饰酶提供了一个机会。许多与组蛋白核心有关的PTM位点位于DNA进入通道附近或者在组蛋白八聚体之间的界面。侧面PTM可能直接影响组蛋白与DNA的结合以及DNA脱包裹和再包裹的速率。因此,侧面PTM不仅可以调节核小体中DNA的可访问性,还可以促进核小体的动力学。那些中和或逆转氨基酸侧链电荷的PTM可能对组蛋白与DNA结合力产生特别强烈的影响,使其成为可能对染色质依赖过程具有引发效应和指导作用的主要PTM候选。接近核小体对称轴的侧面PTM区域可能是组蛋白与DNA相互作用最强烈的地方。这些PTM可能减少DNA与组蛋白八聚体的整体亲和力,从而降低核小体的稳定性。例如,H3T118ph可降低组蛋白与DNA的亲和力,导致DNA的可访问性增加和核小体的运动性增加。另一个增加DNA的可访问性的PTM,H3K122ac,已被证实可以直接刺激体外的转录。虽然H3K122succ(琥珀酰化)进一步中和了赖氨酸侧链电荷,降低了核小体的稳定性,但这种PTM刺激的体外转录程度与H3K122ac相当,表明在转录中存在额外的速率限制步骤。组蛋白八聚体界面修饰可通过影响组蛋白间的相互作用来降低核小体的稳定性。H4K91位于H3-H4四聚体与H2A-H2B二聚体之间的界面,其戊二酰化直接促进H2A-H2B二聚体从核小体中解离。H2AQ105me位于H2A和H3之间的界面,是组蛋白核心修饰中为数不多的可通过阅读器或效应蛋白发挥转录效应的例子之一。体外实验表明,H2AQ105me可破坏转录促进因子FACT复合物的结合,这与H2A-H2B二聚体的交换有关。RNA结合蛋白NHP2已被确定为这个标记的阅读器。

综上所述,大多数组蛋白尾端PTM对核小体的稳定性和染色质结构几乎没有直接影响,通常需要依赖效应蛋白来发挥生物学功能。相比之下,组蛋白核心域PTM更有可能通过直接影响核小体的结构和动力学来影响染色质依赖的过程。因此,核心和尾端PTM之间存在着重要的机制差异。

3重组中的PTM

在真核生物细胞中存在多种形式的DNA重组,包括减数重组、V(D)J重组和同源重组。每种重组形式都涉及DNA链的广泛拓扑重排。此外,这些过程与转录调控密切相关,因为需要仔细控制局部转录,以确保它不干扰DNA链的交换。因此,组蛋白修饰在调控近端转录和重组过程中发挥了双重作用。在下面,我们简要讨论组蛋白修饰在减数重组和V(D)J重组中的作用。同源重组将在涉及DNA修复的部分中详细讨论。

3.1减数重组

图3. 在减数重组开始时,DNA双链断裂(DSBs)的引发发生在环锚点(LAPs)处。PR结构锌指蛋白9(PRDM9)通过与CCCTC结合因子(CTCF)的关联,直接与DNA中的PRDM9结合位点或与包含减数分裂特异亚单位STAG3(蓝色环)的凝集素复合物的结合被招募到LAPs。PRDM9催化周围核小体中的组蛋白3赖氨酸4三甲基化(H3K4me3)和H3K36me3,以补充已有的H3K4me3,有利于激活HORMA结构域含蛋白1(HORMAD1)-HORMAD1蛋白1(IHO1)和减数分裂特异蛋白MEI4复合物的招募,最终催化减数重组蛋白SPO11的引发DSB。减数重组通常发生在染色体上富含开放染色质标记H3K4me3和H3K36me3的特定热点区域。这些区域由睾丸特异性的锌指DNA结合蛋白PRDM9调控,PRDM9与淋巴细胞特异性的螺旋酶HELLS一起形成一个前体复合物,用于在减数重组过程中打开染色质。这些区域创造了一个有利于催化和随后修复程序性DNA双链断裂(DSBs)的环境(见图3)。在那些没有PRDM9的脊椎动物中,重组会转向其他开放染色质结构,例如活跃基因启动子。然而,尽管PRDM9对于塑造减数重组的图谱至关重要,但在大鼠等物种中,它似乎对于重组本身并非必需。从拓扑学的角度来看,染色体域(TADs)的环锚点富含H3K4me3,同时包含多个PRDM9结合位点。有人提出PRDM9可能与CCCTC结合因子(CTCF)相互作用,而CTCF也与环锚点结合。或许这些特征,包括相关的组蛋白修饰,可以解释为什么环锚点可能成为减数重组的热点。总之,很难将这些组蛋白修饰视为对于转录具有指导作用,它们更可能是指示一个普遍可访问的基因组区域的预先存在标记。

3.2V(D)J重组

V(D)J重组需要RAG1和RAG2亚单位组成的RAG复合物,该复合物结合到高度保守的重组信号序列。与减数分裂重组类似,这些区域富含活性的组蛋白标记,例如H3K4me3。RAG2的植物homeodomain可以与H3K4me3结合,诱导RAG1的构象变化,从而促进V(D)J重组的进行。因此,H3K4me3在V(D)J重组中扮演了指导性的角色。

4.DNA修复中的PTM

图4. 在H4K20me依赖的DNA修复途径选择与DNA复制状态的协调中,TP53结合蛋白1(53BP1)和BRCA1相关RING结构域蛋白1(BARD1)-RING型E3泛素转移酶BRCA1(BRCA1)复合物都结合到H2AK15ub(H2A尾部显示为黄色),这种修饰特异性地富集在DNA损伤部位。53BP1结合到H4K20me1或H4K20me2和H2AK15ub,限制了DNA末端剪接,从而在G1期有利于非同源末端连接(NHEJ)。DNA复制期间H4K20me稀释触发了通过其ANK反复域选择性结合未修饰H4K20(H4K20me0),从而引导DSB修复走向同源重组(HR)的BARD1-BRCA1复合物的优先招募。DNA双链断裂(DSB)会触发H2AX丝氨酸139位点的磷酸化,这是DNA损伤反应的标志。不同的修复途径选择在很大程度上与细胞周期状态协调,这一协调是通过H4K20me和H2AK15ub之间的相互作用来实现的(图4)。53BP1和BRCA1-BARD1复合物都与H2AK15ub发生结合,但它们各自有不同的H4K20me状态特异性,从而指导DSB修复是采用非同源末端连接(NHEJ)还是同源重组。H3K36me3的存在通过其结合蛋白LEDGF的PWWP结构域,有助于在活跃基因中优先通过RAD51介导的同源重组途径准确修复DSB。值得注意的是,在DNA损伤后,转录沉默对DSB修复也非常关键,这需要改变组蛋白甲基化状态,例如去甲基化H3K4me2/3。综上所述,染色质PTM状态在协调DNA修复过程中发挥多重作用。

 

5. 复制中的PTM

图5. 在H2A.Z依赖的DNA复制起始位点选择过程中,H2A.Z含有核小体被KMT5B结合,从而刺激H4K20me2的沉积。

越来越多的证据表明,特定组蛋白乙酰化和甲基化在调控DNA复制的起始阶段扮演着关键角色。例如,H4上的K5、K8和K12位点的乙酰化有助于开放染色质结构,促进了无效预复制复合物的形成。此外,H4K20me水平的变化会影响DNA复制起始点的选择(图5)。PRC1结合到H4K20me2,其Tudor结构域与此过程有关。同样地,KMT5A的定位作用能诱导ORC在特定地点的招募和复制起始。此外,H3K4me3和H3K9me3的去甲基化对于DNA复制的启动也至关重要。KDM5C和KDM4D分别去除H3K4me3和H3K9me3以激活复制的起始,但不影响起始点的设定。因此,组蛋白PTM的动态变化在DNA复制调控中发挥着至关重要的作用。在高等真核生物中,染色体上的大片区域会按特定的时间顺序进行复制。有趣的是,哺乳动物的TAD边界通常也标志着复制定时结构域的边界。这些发现暗示,染色质复制的定时对于维护全局组蛋白修饰图谱至关重要,这可能会影响三维基因组结构(下文将进一步讨论)。总之,动态调控组蛋白PTM可能在DNA复制调控中发挥着指导作用;反过来,DNA复制也可以影响组蛋白修饰图谱。

6. PTM与基因组拓扑结构

动植物基因组通常呈现出明显的分区,包括A区(活跃染色质)和B区(沉默异染色质),而这些区域又可以进一步细分为由CTCF环锚点确定的TADs。越来越多的证据表明,组蛋白修饰可以积极地影响这些拓扑结构的形成,尽管确切的分子机制仍然不明确。研究发现,H3K9me和由Polycomb介导的H3K27me3在基因组中的分离区域和超级增强子上富集,它们可能通过相互排斥的方式促进了三维基因组结构的建立。H3K9me与LADs的定位也存在关联。在小鼠细胞中,H3K9me2和H3K9me3分别富集在与核周质相关的染色质中,这些区域与B区高度相关。值得注意的是,H3K9me2和H3K9me3对这些区域在有丝分裂期的定位和遗传传递起着重要的作用。同样,高分辨率显微观察结果显示,抑制性染色质区域具有独特的三维折叠状态。PRC1的结合导致染色质区域的形成,其大小和边界特征与TADs不同。这些区域被称为聚合相关结构域(PADs),在小鼠成熟卵母细胞中非常普遍,几乎覆盖了基因组的一半。同样地,PAD信号在缺乏结合蛋白的情况下也会增强。尽管H3K27me3在这些染色质区域的形成中起着关键作用,但似乎对它们的维持并非必要。因此,H3K27me3介导的可逆异染色质结构的形成对于定义三维基因组结构也具有重要意义。我们对PTM在TAD形成中的功能角色的了解主要受到线虫的研究启发。X染体上的TAD类似结构是由剂量补偿复合物形成的,其中包括H4K20me2去甲基化酶。这个复合物被认为通过一种类似于哺乳动物的循环机制来推动TAD的形成。重要的是,选择性抑制这个去甲基化活性的复合物会破坏X染体的结构,减弱TAD的形成。这些研究与DNA甲基化对破坏TAD边界的影响相呼应,提示TAD的形成可能受到DNA和组蛋白修饰之间复杂互动的精细调控。

7.结论与展望

不同修饰位点的组蛋白修饰可以通过各种直接或间接的机制影响染色质的结构和功能。具体来说,组蛋白核心区域的修饰更可能直接影响核小体的动态变化,从而对DNA模板过程产生激发或引导作用。这是因为核心区修饰通常位于组蛋白与DNA或组蛋白与组蛋白间的关键相互作用界面,所以更容易对核小体稳定性产生影响。相比之下,对于大多数组蛋白尾端区域的修饰效应,则更依赖于特定效应器蛋白的招募。关于这些组蛋白修饰是DNA过程的原因还是结果的问题,作者认为这可能因修饰的种类、细胞状态和基因组上下文而异。具体来说,抑制性染色质相关的尾端区域修饰更具指导作用,而与活性染色质相关的组蛋白甲基化标记则更可能是过程的结果。总体而言,组蛋白修饰应被看作是一个复杂非线性调控网络的一部分,既可以指导基因组功能,也可以强化已有的活性过程或记录染色质状态。充分理解不同修饰的作用机制,将有助于我们更好地掌握这一复杂网络的运作规律。本公众号仅对文章内容进行总结和部分展示,如读者有兴趣可移步至原文观看。

原文DOI号如下:https://doi.org/10.1038/s41576-022-00468-7

科生景肽拥有领先多肽药物工艺开发经验,通过成熟的开发流程以及大幅流程优化大大缩短了工艺开发时间,建立了一个全面高效的多肽药物研发平台。我们可以提供从靶标蛋白验证、到先导化合物筛选、到候选化合物确定以及临床前研究的一站式新药研发服务。我们将根据客户的需求,为每个项目提供合理性设计保障服务,确保工艺的经济性、稳健性以及产品质量的可控性。