表觀遺傳學(xué)-第三章-組蛋白修飾-課件PPT

1、表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)第三章第三章 組蛋白修飾組蛋白修飾12021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omDNADNA PackingPackingr 1. 如何將如何將10,000公里長(zhǎng)的蠶公里長(zhǎng)的蠶絲絲(半徑半徑10-5米米)裝入一個(gè)籃裝入一個(gè)籃球中。球中。r 2. 蠶絲的體積：蠶絲的體積：3.14*10-3m3r 3. 折疊、纏繞折疊、纏繞22021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om染色體上不同的區(qū)域染色體上不同的區(qū)域r Euchromatin: 常染色質(zhì)；常染色質(zhì)；r Heterochromatin: 異染色異染色質(zhì)質(zhì)r E-H或

2、或H-稱為染色質(zhì)重塑稱為染色質(zhì)重塑(Chromatin Remodeling)r 分子機(jī)理：分子機(jī)理：DNA甲基化，甲基化，組蛋白修飾組蛋白修飾，染色質(zhì)重塑復(fù)，染色質(zhì)重塑復(fù)合物的協(xié)同作用。合物的協(xié)同作用。32021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om常染色質(zhì)與異染色質(zhì)常染色質(zhì)與異染色質(zhì)r 1. 常染色質(zhì)：基因表達(dá)常染色質(zhì)：基因表達(dá)活躍的區(qū)域，染色體結(jié)活躍的區(qū)域，染色體結(jié)構(gòu)較為疏松構(gòu)較為疏松r 2. 異染色質(zhì)：基因表達(dá)異染色質(zhì)：基因表達(dá)沉默的區(qū)域，染色體結(jié)沉默的區(qū)域，染色體結(jié)構(gòu)致密構(gòu)致密核小體核小體常染色質(zhì)Epigenetics, 2008-2009, Semest

3、er 1, USTC異染色質(zhì)42021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白與核小體組蛋白與核小體52021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHistoneHistone variantsvariants62021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白修飾組蛋白修飾72021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白修飾組蛋白修飾 (2)(2)82021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om主要的功能基團(tuán)主要的功能基團(tuán)r Acetylr

4、Methylr Phosphorylr Ubiquitin92021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omEpigeneticEpigenetic differencesdifferences：monozygoticmonozygotic twinstwins5mCH4 乙酰化乙?；疎pigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCH3 乙?；阴；?02021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白共價(jià)修飾的功能組蛋白共價(jià)修飾的功能r 基因轉(zhuǎn)錄、基因轉(zhuǎn)錄、DNA損傷修復(fù)、損傷修復(fù)、DNA復(fù)制、染色體凝聚

5、等復(fù)制、染色體凝聚等112021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om內(nèi)容綱要內(nèi)容綱要rrrrr一、組蛋白的乙酰化一、組蛋白的乙?；?、組蛋白的甲基化二、組蛋白的甲基化三、組蛋白的磷酸化三、組蛋白的磷酸化四、組蛋白的泛素化四、組蛋白的泛素化五、組蛋白的五、組蛋白的SUMO化化r 六、組蛋白密碼六、組蛋白密碼Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC122021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om一、組蛋白的乙酰化一、組蛋白的乙酰化r 1. 通常發(fā)生在蛋白質(zhì)的賴氨酸通常發(fā)生在蛋白質(zhì)的賴氨酸(K)上；上

6、；r 2. 可逆的生化反應(yīng)：可逆的生化反應(yīng)：| A. Histone acetyltransferase，HAT (30)| B. Histone deacetylase, HDAC (18)r 3. 分子效應(yīng)：中和賴氨酸上的正電荷，增加組蛋分子效應(yīng)：中和賴氨酸上的正電荷，增加組蛋白與白與DNA的排斥力的排斥力r 4. 生物學(xué)功能：生物學(xué)功能：| A. 基因轉(zhuǎn)錄活化基因轉(zhuǎn)錄活化| B. DNA損傷修復(fù)損傷修復(fù)132021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白的乙?；M蛋白的乙酰化r 中和賴氨酸的正電荷，中和賴氨酸的正電荷，C=O具有一定的負(fù)電，能夠增加具有一定

7、的負(fù)電，能夠增加與與DNA的斥力，使得的斥力，使得DNA結(jié)構(gòu)變得疏松，從而導(dǎo)致基因結(jié)構(gòu)變得疏松，從而導(dǎo)致基因的轉(zhuǎn)錄活化的轉(zhuǎn)錄活化142021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATsHATs：轉(zhuǎn)乙酰基酶：轉(zhuǎn)乙?；?52021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omGcn5/PCAFGcn5/PCAF & & p300/CBPp300/CBPGcn5/PCAFp300/CBPBr, bromodomain;Nr, nuclear receptor-interacting box;CH, cysteine/histidin

8、e-rich module;KIX, phospho-CREBinteracting module;Q, glutamine-richdomain.具有保守的具有保守的HAT結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC162021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omBromodomainBromodomainr 1. An acetyl-lysinebinding domainr 2. HATs修飾底物之后修飾底物之后可能與底物上的乙?？赡芘c底物上的乙?；嚢彼峤Y(jié)合化賴氨酸結(jié)合172021/8/26生物w秀w- 專

9、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 domain;NEMM, N-terminal part ofEnok, MOZ or MORF;PHD, PHD zinc finger;ED, glutamate/aspartate-rich region;SM, serine/me

10、thionine-richdomainEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC具有保守的具有保守的MYST結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域182021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHATHAT識(shí)別底物的分子機(jī)制識(shí)別底物的分子機(jī)制r A. hit-and-runmodel；r B. & C. attract-and-hit modelsr D. targeted actionmodelr E. relay model: 兩個(gè)兩個(gè)HAT先后修飾底物先后修飾底物r F. HIV Tat K50被被p300修飾后，招募修飾后，招募PCAF

11、，再激活特定基因。再激活特定基因。(Bromodomain)192021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om人類人類IFN-IFN-基因的激活基因的激活A(yù). DNA code: 序列模體、甲基化模式B. GCN5結(jié)合到啟動(dòng)子/增強(qiáng)子上C. 修飾H4K8和H3K9D. H3S10被RSK-2磷酸化，促使GCN5修飾H3K14E. SWI/SNF的BRG1特異性識(shí)別H4K8;TFIID的TAFII250識(shí)別H3K9和H3K14, 從而激活I(lǐng)FN-202021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om蛋白質(zhì)乙?；{(diào)控基因轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)乙?；{(diào)控基因轉(zhuǎn)

12、錄r A. 乙?；D(zhuǎn)錄因子，使之與乙?；D(zhuǎn)錄因子，使之與DNA結(jié)結(jié)合能力增強(qiáng)；合能力增強(qiáng)；r B. 轉(zhuǎn)錄因子活化的結(jié)構(gòu)域招募轉(zhuǎn)錄因子活化的結(jié)構(gòu)域招募HATs復(fù)合物；復(fù)合物；r C. HAT復(fù)合物乙?；M蛋白，打開復(fù)合物乙酰化組蛋白，打開染色質(zhì)；染色質(zhì)；r D. 轉(zhuǎn)錄激活；轉(zhuǎn)錄激活；r E. HAT復(fù)合物中的共激活子也被乙復(fù)合物中的共激活子也被乙?；揎?；酰化修飾；r F. HAT復(fù)合物乙?；箅x開，轉(zhuǎn)復(fù)合物乙?；箅x開，轉(zhuǎn)錄活性削弱。錄活性削弱。212021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白乙?；航M蛋白乙?；篋NADNA repairrepairr

13、 1. DNA損傷修復(fù)：損傷修復(fù)：| A. Homologous recombination(HR)| B. Nonhomologous end-joining(NHEJ)r A. 完整的完整的DNA序列；序列；r B. 雙鏈斷裂；雙鏈斷裂；r C. NHEJ因子因子: (D) 修復(fù)因子與修復(fù)因子與(E)染色質(zhì)重塑因子；染色質(zhì)重塑因子；r F. 染色質(zhì)重塑的構(gòu)染色質(zhì)重塑的構(gòu)型，型，(G) 增大增大NHEJ局部濃度；局部濃度；r H. 直至修復(fù)直至修復(fù)222021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHDACsHDACsr 1. Class I：HDAC1, HDAC

14、2, HDAC3, HDAC8(定位于細(xì)胞核定位于細(xì)胞核)r 2. Class II：HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能夠在細(xì)胞核與胞能夠在細(xì)胞核與胞質(zhì)間轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)間轉(zhuǎn)運(yùn))r 3. Class III：Sirtuins (SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7)r 4. Class IV：HDAC11232021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omClassicalClassical HDACsHDACs242021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做

15、oo生 .c物 omHDACHDAC復(fù)合物復(fù)合物252021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSirtuinsSirtuinsr 1. NAD-dependent protein deacetylaser 2. NAD: 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸r 3. ADP-ribosyl-transferase262021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSirtuinsSirtuinsr 割裂割裂NAD，釋放，釋放nicotinamide (煙堿煙堿)272021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物

16、 omSirtuinsSirtuins：吃的少，活得長(zhǎng)：吃的少，活得長(zhǎng)r caloric restriction (CR)：延緩隨年齡增大易發(fā)生的疾病和癌癥，并：延緩隨年齡增大易發(fā)生的疾病和癌癥，并顯著延長(zhǎng)壽命顯著延長(zhǎng)壽命r CR: AL小鼠小鼠60%的食物：引起的食物：引起SIRT1蛋白質(zhì)表達(dá)量增加蛋白質(zhì)表達(dá)量增加/cgi/content/abstract/305/5682/390細(xì)胞中轉(zhuǎn)入細(xì)胞中轉(zhuǎn)入Bax或或Bax-Ku70復(fù)合復(fù)合物使得細(xì)胞凋亡率增加物使得細(xì)胞凋亡率增加？282021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c

17、物 omBaxBax促使細(xì)胞凋亡促使細(xì)胞凋亡r 1. Ku70與與Bax結(jié)合；結(jié)合；r 2. 受到信號(hào)的刺激，受到信號(hào)的刺激，Ku70被乙?；?，釋放被乙酰化，釋放Bax；r 3. 游離游離Bax穿入線粒體，引起細(xì)胞凋亡穿入線粒體，引起細(xì)胞凋亡BaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCKu70乙?；阴；诰€粒體上打在線粒體上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡Bax292021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omSIRT1:SIRT1: 減弱減弱BaxBax的細(xì)胞凋亡能力的細(xì)胞凋亡能力Ku70的的K539 & K542被被

18、SIRT1去乙酰化去乙?；?02021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omBaxEpigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCKu70乙酰化乙?；诰€粒體上打在線粒體上打洞，促使凋亡洞，促使凋亡BaxSIRT1SIRT1SIRT1312021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om乙酰化與去乙?；阴；c去乙?；痳 轉(zhuǎn)錄因子招募轉(zhuǎn)錄因子招募HDAC抑制基因表達(dá)；抑制基因表達(dá)；r 招募招募HAT復(fù)合物激活基因表達(dá)。復(fù)合物激活基因表達(dá)。322021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物

19、omHDACHDAC InhibitorInhibitorr 1. 主要針對(duì)主要針對(duì)ClassicalHDACs；r 2. 激活保護(hù)性基因的表達(dá)激活保護(hù)性基因的表達(dá)r 3. 抗腫瘤新藥抗腫瘤新藥332021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om二、組蛋白的甲基化二、組蛋白的甲基化r 1. 主要發(fā)生在賴氨酸主要發(fā)生在賴氨酸(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

20、)r 4. 可逆的生化反應(yīng)可逆的生化反應(yīng)?r 5. 分子效應(yīng)：增加賴氨酸上的疏水力分子效應(yīng)：增加賴氨酸上的疏水力r 6. 生物學(xué)功能：生物學(xué)功能：|A. 基因轉(zhuǎn)錄活化基因轉(zhuǎn)錄活化B. 基因轉(zhuǎn)錄沉默基因轉(zhuǎn)錄沉默C. X染色體失活染色體失活D. 異染色質(zhì)致密狀態(tài)異染色質(zhì)致密狀態(tài) (heterochromatin compaction)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC342021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om精氨酸和賴氨酸甲基化的過(guò)程精氨酸和賴氨酸甲基化的過(guò)程352021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做

21、oo生 .c物 omLysineLysine MethylationMethylationr 1. Mono-, di- or tri- methylationr 2. H3K9 & H3K27的的tri- methylation是沉默的異染色質(zhì)的是沉默的異染色質(zhì)的主要特征主要特征r 3. H3K9的的di- methylation對(duì)于常染色質(zhì)的基因表達(dá)是必對(duì)于常染色質(zhì)的基因表達(dá)是必需的需的r 4. H4K20的的tri- methylation是癌癥中的一個(gè)普遍現(xiàn)象是癌癥中的一個(gè)普遍現(xiàn)象r 5. 有絲分裂期間，在動(dòng)粒有絲分裂期間，在動(dòng)粒(centromere)附近的附近的H3K9的的

22、tri-methylation負(fù)責(zé)保證染色體順利完成分裂負(fù)責(zé)保證染色體順利完成分裂r 6. 在活化基因的在活化基因的5端和啟動(dòng)子區(qū)域，甲基化出現(xiàn)的模式為：端和啟動(dòng)子區(qū)域，甲基化出現(xiàn)的模式為：| A. H4K20的的mono- methylation| B. H3K4的的di- or tri- methylation| C. H3K79的的di- methylation362021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om賴氨酸甲基化的功能賴氨酸甲基化的功能372021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHKMTsHKMTsr A. HKMT

23、s的家族成員的家族成員以及各自的底物識(shí)別特以及各自的底物識(shí)別特異性；異性；r B. Methyl-lysine結(jié)合結(jié)合蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)382021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omHKMTsHKMTsr 除了除了Dot1外，都具有外，都具有SET domain392021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omr RNA polymerase II (Pol II)定位到基定位到基因啟動(dòng)子區(qū)域，與因啟動(dòng)子區(qū)域，與H3K4 & H3K36的的甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶Set1, Set2 & Dot1相互作相互作用；用；r Acti

24、vator (Act) 招募招募Rad6-Bre1復(fù)合復(fù)合物，并加載到物，并加載到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 轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)過(guò)程中，Pol II的的Ser2被磷被磷酸化，促使酸化，促使Set1分離下來(lái)；分離下來(lái)；r 第一輪轉(zhuǎn)錄后，基因被標(biāo)記為第一輪轉(zhuǎn)錄后，基因被標(biāo)記為H3K4,H3K36 & H3K79甲基化甲基化r H3K4被被Chd1識(shí)別后結(jié)合，識(shí)別后結(jié)合，招募招募SAGA復(fù)合物；復(fù)合物；r SAGA復(fù)合物乙?；M蛋白復(fù)合物乙?；M蛋白r 轉(zhuǎn)錄保持激活轉(zhuǎn)錄保持激活組蛋白賴氨酸甲基化與轉(zhuǎn)錄

25、組蛋白賴氨酸甲基化與轉(zhuǎn)錄402021/8/26生物w秀w- 專 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 and PRMT7): -NG, NG,-symmetric dimethylarginines (sDMA)412021/8/26生物w秀w- 專 w.b心

26、 bi做 oo生 .c物 omPRMTsPRMTs調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄r CARM1/PRMT4 (coactivator-associated argininemethyltransferase 1): 修飾修飾H3R2, H3R17 & H3R26422021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om組蛋白乙?；?、甲基化以及組蛋白乙?；⒓谆约癉NADNA甲基化的關(guān)系甲基化的關(guān)系r A. MBD結(jié)合甲基化的結(jié)合甲基化的DNA,招募招募HDAC, 組蛋白去甲基組蛋白去甲基化化, 招募招募HMT, 甲基化組蛋甲基化組蛋白白, 轉(zhuǎn)錄沉默；轉(zhuǎn)錄沉默；r B.

27、 組蛋白無(wú)乙?；揎椊M蛋白無(wú)乙?；揎?MBD結(jié)合甲基化的結(jié)合甲基化的DNA,再與再與SET結(jié)合，甲基化組結(jié)合，甲基化組蛋白蛋白;r C. 甲基化的組蛋白尾部招甲基化的組蛋白尾部招募募DNMT，對(duì)基因長(zhǎng)期，對(duì)基因長(zhǎng)期沉沉默默432021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om異染色質(zhì)與常染色質(zhì)的基因沉默異染色質(zhì)與常染色質(zhì)的基因沉默r A. 異染色質(zhì)沉默：組蛋異染色質(zhì)沉默：組蛋白去乙?；?；甲基化白去乙酰化；甲基化H3K9；招募；招募HP1；形成；形成異染色質(zhì)異染色質(zhì)r B. 常染色質(zhì)沉默：轉(zhuǎn)錄常染色質(zhì)沉默：轉(zhuǎn)錄因子因子E2F通過(guò)通過(guò)Rb招募招募HP1-Suv29h1；Suv29h1甲基化甲基化H3K9；HP1與與H3K9結(jié)合，沉默結(jié)合，沉默基因的表達(dá)基因的表達(dá)442021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 om去甲基化酶去甲基化酶452021/8/26生物w秀w- 專 w.b心 bi做 oo生 .c物 omPADI4PADI4r Ca2+-dependentpeptidylargininedeiminase，將，將unmodified arginineand mono-methyla