表观遗传学-第三章-组蛋白修饰-课件.ppt
Epigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC表表观遗传观遗传学学第三章第三章 组组蛋白修蛋白修饰饰生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCDNADNA PackingPackingr 1.如何将如何将10,000公里公里长长的蚕的蚕丝丝(半径半径10-5米米)装入一个装入一个篮篮球中。球中。r 2.蚕蚕丝丝的体的体积积：3.14*10-3m3r 3.折叠、折叠、缠绕缠绕生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC染色体上不同的区域染色体上不同的区域r Euchromatin:常染色常染色质质；r Heterochromatin:异染色异染色质质r E-H或或H-称称为为染色染色质质重塑重塑(Chromatin Remodeling)r 分子机理：分子机理：DNA甲基化，甲基化，组组蛋白修蛋白修饰饰，染色，染色质质重塑复重塑复合物的合物的协协同作用。同作用。生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 om常染色常染色质质与异染色与异染色质质r 1.常染色常染色质质：基因表达：基因表达活活跃跃的区域，染色体的区域，染色体结结构构较为较为疏松疏松r 2.异染色异染色质质：基因表达：基因表达沉默的区域，染色体沉默的区域，染色体结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做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白与核小体蛋白与核小体生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHistoneHistone variantsvariants生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白修蛋白修饰饰生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白修蛋白修饰饰(2)(2)生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC主要的功能基主要的功能基团团r Acetylr Methylr Phosphorylr Ubiquitin生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigeneticEpigenetic differencesdifferences：monozygoticmonozygotic twinstwins5mCH4 乙乙酰酰化化Epigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCH3 乙乙酰酰化化生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白共价修蛋白共价修饰饰的功能的功能r 基因基因转录转录、DNA损伤损伤修复、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内容内容纲纲要要rrrrr一、一、组组蛋白的乙蛋白的乙酰酰化化二、二、组组蛋白的甲基化蛋白的甲基化三、三、组组蛋白的磷酸化蛋白的磷酸化四、四、组组蛋白的泛素化蛋白的泛素化五、五、组组蛋白的蛋白的SUMO化化r 六、六、组组蛋白密蛋白密码码Epigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC一、一、组组蛋白的乙蛋白的乙酰酰化化r 1.通常通常发发生在蛋白生在蛋白质质的的赖赖氨酸氨酸(K)上；上；r 2.可逆的生化反可逆的生化反应应：|A.Histone acetyltransferase，HAT(30)|B.Histone deacetylase,HDAC(18)r 3.分子效分子效应应：中和：中和赖赖氨酸上的正氨酸上的正电电荷，增加荷，增加组组蛋蛋白与白与DNA的排斥力的排斥力r 4.生物学功能：生物学功能：|A.基因基因转录转录活化活化|B.DNA损伤损伤修复修复生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白的乙蛋白的乙酰酰化化r 中和中和赖赖氨酸的正氨酸的正电电荷，荷，C=O具有一定的具有一定的负电负电，能，能够够增加增加与与DNA的斥力，使得的斥力，使得DNA结结构构变变得疏松，从而得疏松，从而导导致基因致基因的的转录转录活化活化生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHATsHATs：转转乙乙酰酰基基酶酶生物w秀w-专 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/histidine-rich module;KIX,phospho-CREBinteracting module;Q,glutamine-richdomain.具有保守的具有保守的HAT结结构域构域Epigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCBromodomainBromodomainr 1.An acetyl-lysinebinding domainr 2.HATs修修饰饰底物之后底物之后可能与底物上的乙可能与底物上的乙酰酰化化赖赖氨酸氨酸结结合合生物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 domain;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结结构域构域生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHATHAT识别识别底物的分子机制底物的分子机制r A.hit-and-runmodel；r B.&C.attract-and-hit modelsr D.targeted actionmodelr E.relay model:两个两个HAT先后修先后修饰饰底物底物r F.HIV Tat K50被被p300修修饰饰后，招募后，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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC人人类类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TAFII250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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC蛋白蛋白质质乙乙酰酰化化调调控基因控基因转录转录r A.乙乙酰酰化化转录转录因子，使之与因子，使之与DNA结结合能力增合能力增强强；r B.转录转录因子活化的因子活化的结结构域招募构域招募HATs复合物；复合物；r C.HAT复合物乙复合物乙酰酰化化组组蛋白，打开蛋白，打开染色染色质质；r D.转录转录激活；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酰化修化修饰饰；r F.HAT复合物乙复合物乙酰酰化之后离开，化之后离开，转转录录活性削弱。活性削弱。生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白乙蛋白乙酰酰化：化：DNADNA repairrepairr 1.DNA损伤损伤修复：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.双双链链断裂；断裂；r C.NHEJ因子因子:(D)修复因子与修复因子与(E)染色染色质质重塑因子；重塑因子；r F.染色染色质质重塑的构重塑的构型，型，(G)增大增大NHEJ局部局部浓浓度；度；r H.直至修复直至修复生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHDACsHDACsr 1.Class I：HDAC1,HDAC2,HDAC3,HDAC8(定位于定位于细细胞核胞核)r 2.Class II：HDAC4,HDAC5,HDAC6,HDAC7A,HDAC9,HDAC10(能能够够在在细细胞核与胞胞核与胞质间转质间转运运)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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCClassicalClassical HDACsHDACs生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHDACHDAC复合物复合物生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCSirtuinsSirtuinsr 1.NAD-dependent protein deacetylaser 2.NAD:烟烟酰酰胺腺胺腺嘌嘌呤二核苷酸呤二核苷酸r 3.ADP-ribosyl-transferase生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCSirtuinsSirtuinsr 割裂割裂NAD，释释放放nicotinamide(烟碱烟碱)生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCSirtuinsSirtuins：吃的少，活得：吃的少，活得长长r caloric restriction(CR)：延：延缓缓随年随年龄龄增大易增大易发发生的疾病和癌症，并生的疾病和癌症，并显显著延著延长长寿命寿命r CR:AL小鼠小鼠60%的食物：引起的食物：引起SIRT1蛋白蛋白质质表达量增加表达量增加细细胞中胞中转转入入Bax或或Bax-Ku70复合复合物使得物使得细细胞凋亡率增加胞凋亡率增加？生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omBaxBax促使促使细细胞凋亡胞凋亡r 1.Ku70与与Bax结结合；合；r 2.受到信号的刺激，受到信号的刺激，Ku70被乙被乙酰酰化，化，释释放放Bax；r 3.游离游离Bax穿入穿入线线粒体，引起粒体，引起细细胞凋亡胞凋亡BaxEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCKu70乙乙酰酰化化在在线线粒体上打粒体上打洞，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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCSIRT1:SIRT1:减弱减弱BaxBax的的细细胞凋亡能力胞凋亡能力Ku70的的K539&K542被被SIRT1去乙去乙酰酰化化生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omBaxEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCKu70乙乙酰酰化化在在线线粒体上打粒体上打洞，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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC乙乙酰酰化与去乙化与去乙酰酰化化r 转录转录因子招募因子招募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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHDACHDAC InhibitorInhibitorr 1.主要主要针对针对ClassicalHDACs；r 2.激活保激活保护护性基因的表达性基因的表达r 3.抗抗肿肿瘤新瘤新药药生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 om二、二、组组蛋白的甲基化蛋白的甲基化r 1.主要主要发发生在生在赖赖氨酸氨酸(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.可逆的生化反可逆的生化反应应?r 5.分子效分子效应应：增加：增加赖赖氨酸上的疏水力氨酸上的疏水力r 6.生物学功能：生物学功能：|A.基因基因转录转录活化活化B.基因基因转录转录沉默沉默C.X染色体失活染色体失活D.异染色异染色质质致密状致密状态态(heterochromatin compaction)Epigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC精氨酸和精氨酸和赖赖氨酸甲基化的氨酸甲基化的过过程程生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCLysineLysine MethylationMethylationr 1.Mono-,di-or tri-methylationr 2.H3K9&H3K27的的tri-methylation是沉默的异染色是沉默的异染色质质的的主要特征主要特征r 3.H3K9的的di-methylation对对于常染色于常染色质质的基因表达是必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是癌症中的一个普遍现现象象r 5.有有丝丝分裂期分裂期间间，在，在动动粒粒(centromere)附近的附近的H3K9的的tri-methylation负责负责保保证证染色体染色体顺顺利完成分裂利完成分裂r 6.在活化基因的在活化基因的5端和启端和启动动子区域，甲基化出子区域，甲基化出现现的模式的模式为为：|A.H4K20的的mono-methylation|B.H3K4的的di-or tri-methylation|C.H3K79的的di-methylation生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC赖赖氨酸甲基化的功能氨酸甲基化的功能生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHKMTsHKMTsr A.HKMTs的家族成的家族成员员以及各自的底物以及各自的底物识别识别特特异性；异性；r B.Methyl-lysine结结合合蛋白蛋白质质生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCHKMTsHKMTsr 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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCr RNA polymerase II(Pol II)定位到基定位到基因启因启动动子区域，与子区域，与H3K4&H3K36的的甲基甲基转转移移酶酶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，并加物，并加载载到到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 转录转录延延长过长过程中，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 第一第一轮转录轮转录后，基因被后，基因被标记为标记为H3K4,H3K36&H3K79甲基化甲基化r H3K4被被Chd1识别识别后后结结合，合，招募招募SAGA复合物；复合物；r SAGA复合物乙复合物乙酰酰化化组组蛋白蛋白r 转录转录保持激活保持激活组组蛋白蛋白赖赖氨酸甲基化与氨酸甲基化与转录转录生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCArginineArginine 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)生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCPRMTsPRMTs调调控基因控基因转录转录r CARM1/PRMT4 (coactivator-associated argininemethyltransferase 1):修修饰饰H3R2,H3R17&H3R26生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白乙蛋白乙酰酰化、甲基化以及化、甲基化以及DNADNA甲基化的关系甲基化的关系r A.MBD结结合甲基化的合甲基化的DNA,招募招募HDAC,组组蛋白去甲基蛋白去甲基化化,招募招募HMT,甲基化甲基化组组蛋蛋白白,转录转录沉默；沉默；r B.组组蛋白无乙蛋白无乙酰酰化修化修饰饰,MBD结结合甲基化的合甲基化的DNA,再与再与SET结结合，甲基化合，甲基化组组蛋白蛋白;r C.甲基化的甲基化的组组蛋白尾部招蛋白尾部招募募DNMT，对对基因基因长长期期沉沉默默生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC异染色异染色质质与常染色与常染色质质的基因沉默的基因沉默r A.异染色异染色质质沉默：沉默：组组蛋蛋白去乙白去乙酰酰化；甲基化化；甲基化H3K9；招募；招募HP1；形成；形成异染色异染色质质r B.常染色常染色质质沉默：沉默：转录转录因子因子E2F通通过过Rb招募招募HP1-Suv29h1；Suv29h1甲基化甲基化H3K9；HP1与与H3K9结结合，沉默合，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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC去甲基化去甲基化酶酶生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCPADI4PADI4r Ca2+-dependentpeptidylargininedeiminase，将，将unmodified arginineand mono-methylatedarginine转变转变成成citrulline生物w秀w-专 w.b心 bi做 oo生.c物 omLSD1LSD1r A.mono-or di-methylated H3K4和和H3K9r D.与与Co-REST复合复合物物结结合合时时，去除，去除H3K4的甲基化状的甲基化状态态，沉默基因表达，沉默基因表达r E.与与AR结结合合时时，去，去除除H3K9的甲基化状的甲基化状态态，激活基因的表达，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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTCJmjCJmjC proteinsproteinsr JHDM1A:H3K36的去甲基的去甲基酶酶,mono-&di-r JHDM2:H3K9的去甲基的去甲基酶酶,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 omEpigenetics,2008-2009,Semester 1,USTC组组蛋白甲基化的蛋白甲基化的遗传遗传r PC:Polycomb；招募；招募PRC2/EZH2，甲基化子染色，甲基化子染色质质上的上的H3K27;r PR-SET7:H4K20特异性的特异性的转转甲基甲基酶酶，通，通过过未知蛋白未知蛋白质质，修修饰饰子染色子染色质质上的上的H4K20r 表表观遗传观遗传信息的信息的传递传递！
