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    組蛋白修飾與基因調控、疾病的關系研究

    時間:2015-05-04 來源:未知 作者:傻傻地魚 本文字數:5794字
    關鍵詞

      表觀遺傳學是針對不涉及 DNA 序列變化而表現為 DNA甲基化譜、染色質結構狀態和基因表達譜在細胞間傳遞的遺傳現象的一門科學。目前表觀遺傳學通常被定義為基因表達通過有絲分裂或減數分裂發生了可遺傳的改變,而 DNA 序列不發生改變.其機制主要包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾及非編碼 RNA.目前已知核小體組蛋白蛋白質的共價翻譯后修飾在基因調控中發揮著重要作用。常見的組蛋白尾部修飾方式有乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、小類泛素化(SUMO) 等。

      1 組蛋白修飾與基因調控

      組蛋白是堿性蛋白質,通常帶正電荷,能與帶負電荷的DNA 分子結合,從而遮蔽了 DNA 分子,妨礙了轉錄。乙酰化由組蛋白乙酰基轉移酶(HAT) 催化,去乙酰化由組蛋白去乙酰基酶(HDAC) 催化。由于體內存在組蛋白乙酰化和去乙酰化的平衡關系,所以組蛋白乙酰化發生頻率很低。HAT 催化的基本機制包括從乙酰輔酶 A 轉讓一個乙酰基到目標組蛋白賴氨酸側鏈的 ε-氨基組。為了進行這樣的轉變,不同 HAT 采用其獨特的戰略。HATs 基于它們的亞細胞定位通常分為兩個不同的類型。A 型 HATs 位于細胞核并通過染色質核小體組蛋白的乙酰化作用參與基因表達的調控。它們包含一個結構域,幫助他們識別和結合到組蛋白乙酰化的賴氨酸殘基。Gcn5、p300/CBP和 TAFII250 是一些 A 型的 HATs,配合催化劑增強轉錄。B 型HATs 位于細胞質并負責核小體組裝前合成新的乙酰化組蛋白。這些 HATs 缺乏一種結構域,因為他們的任務是識別新合成的尚未乙酰化的核心組織蛋白。乙酰基添加的 B 型 HATs到組蛋白一旦進入細胞核就會被 HDACs 清除并納入染色質。

      HDAC 催化了組蛋白的去乙酰化,它們通常與一些輔抑制因子形成大的轉錄抑制復合物。這些含 HDAC 的復合物,去除修飾組蛋白的 ε-N-乙酰賴氨酸乙酰基,暴露組蛋白尾端帶正電荷的賴氨酸殘基,而帶正電荷的組蛋白尾部與 DNA 之間的相互作用限制了核小體在 DNA 上的移動,使啟動子不易接近轉錄調控元件,從而導致基因特異性的轉錄抑制.通常,組蛋白高乙酰化是基因轉錄激活的一個標志,在轉錄活性區域組蛋白被乙酰化,使與之相結合的基因處于轉錄激活的狀態,而去乙酰化的組蛋白與轉錄受抑制的基因區域結合,因此其過程是一個與基因活性誘導和抑制密切相關的動態過程.

      組蛋白甲基化是另外一種重要的組蛋白修飾,這種修飾作用可使染色體的結構產生變化,也可通過其他轉錄因子來調控基因的表達,這是由甲基化的位點(賴氨酸或精氨酸) 和甲基化的程度(單甲基化或多甲基化) 所決定的。組蛋白甲基化是由組蛋白甲基轉移酶(HMTs) 催化的,HMTs 分為兩個家族,分別是組蛋白賴氨酸甲基轉移酶(HKMTs) 和組蛋白精氨酸甲基轉移酶(HRMTs) ,其對基因表達調控的作用可以完全相反,某些可以激活基因的轉錄,而某些則會抑制基因的轉錄。目前報道的組蛋白甲基化位點包括組蛋白 H3 的 R2、K4、K9、R17、R26、K27、K36、K79 和 H4 的 R3、K20,催化這些位點的酶主要有三類,分別是蛋白精氨酸甲基轉移酶(PRMTs) 家族,催化賴氨酸甲基化的 SET 區域包含蛋白家族(SET DOMA IN-containingprotein) 以及非 SET 區域包含蛋白 DOT1 / DOT1L.

      組蛋白的磷酸化修飾也是一種常見的基因轉錄調控方式,主要發生在組蛋白 H3 的第 10 位絲氨酸和第 28 位絲氨酸上,這兩個位點都存在于一個相同的保守序列(-ARKS-) 中,它們的磷酸化與基因轉錄的起始和有絲分裂期染色質凝集有關.
    組蛋白 H3 第 10 位絲氨酸是有絲分裂和基因轉錄調控過程中磷酸化激酶作用的主要靶點,通過磷酸化修飾可能改變了組蛋白的電荷,進而改變了組蛋白與 DNA 結合的特性,從而調控基因的轉錄活性。組蛋白的泛素化修飾是指細胞內大量的結構和調節性蛋白經泛素蛋白的附著而修飾,從而起到靶信號的作用,可將修飾的底物蛋白分配到細胞的不同部位,改變其活性,改變大分子間的相互作用及蛋白的半衰期。

      SUMO 是一種泛素類似修飾物,能共價結合于組蛋白尾的賴氨酸殘基上,此過程類似于泛素化,可能參與異染色質結構的調節。在 ATP 存在的情況下,經 SUMO 活化酶 E1,SUMO 結合酶 E2,SUMO 連接酶 E3 的作用,最終與組蛋白底物耦聯。

      2 組蛋白修飾與疾病

      2. 1 組蛋白修飾與慢性腎臟病 慢性腎臟病是一種全球性疾病,美國有超過兩千萬人患有慢性腎臟病。越來越多的證據表明,表觀遺傳調控的基因表達在腎臟的發展和其他腎臟疾病中扮演重要角色.慢性腎臟病表現出多個表觀遺傳學相關疾病的特點: (1) 具有遺傳性,但不能夠被某種特定的遺傳模型來解釋; (2) 解釋環境影響的證據; (3) 隨著年齡增加發生率增加.一旦出現超過某個特定比例的腎單位丟失,即可出現特定信號通路導致的腎小球和腎小管間質纖維化。多種細胞因子、趨化因子和生長因子在基質的形成和降解中協同作用,導致細胞外基質(ECM) 的積聚失衡,最終腎小球硬化和間質纖維化.事實上,新興的研究結果強調,表觀遺傳變化在腎臟疾病和終末期腎小球和腎小管間質纖維化進展中起到關鍵作用.以糖尿病性腎病(DN) 為例,細胞培養和動物模型的研究報告表明,表觀遺傳組蛋白翻譯后修飾(PTMs) 參與關鍵基因的表達與 DN 的發病機制相關。β 轉化生長因子(TGF-β) 在腎臟細胞纖維化和 ECM 基因的表達如膠原蛋白1α2、纖溶酶原激活物抑制物 1(PAI-1) 和 p21 細胞周期抑制劑中扮演一個重要的角色,這為 DN 的發病機制作出了貢獻。TGF-β 主要通過激活的轉錄因子 Smad2、Smad3 和 Smad4,與 HAT 和染色質重塑因子結合調節基因的表達.TGF-β 通過招募 HATs 激活劑 p300、CREB 結合蛋白(CBP) 到 PAI-1、p21 啟動子增加 Smad和 SP1 附近的 H3K9/14ac 結合位點。共轉染實驗表明,CBP 和p300 增加 p21 和 PAI-1 啟動子的轉錄活性和增強 TGF-β 誘導的基因表達。在鼠系膜細胞(RMC) ,TGF-β 也增加 p300 和Smads2 /3、SP1 之間的聯系,并增加了 Smads 乙酰化的作用.

      在類似的系膜細胞模型激活子,TGF-β 誘導膠原蛋白1α1,結締組織生長因子(CTGF) 和 PAI-1 增加甲基化標志的激活程度(H3K4me1、H3K4me2 和 H3K4me3) 并減少甲基化標志的抑制程度(H3K9me2 和 H3K9me3).TGF-β 也誘導 HMT 中 SET7的表達并增強其招募 ECM 基因啟動子。SET7 基因沉默廢除TGF-β 誘導基因的表達,進一步確認了 SET7 在系膜細胞纖維化的基因表達的關鍵角色。上述研究表明 TGF-β 在 DN 表觀遺傳學機制中發揮著重要的作用。進一步的研究標明,阻斷這些已經證實了的和腎臟纖維化的調控有關的組蛋白修飾通路非常重要,并可能被證明是一種有效地阻止慢性腎臟病腎臟纖維化過程的治療靶點。

      2. 2 組蛋白修飾與腫瘤 真核生物 DNA 具有復雜的結構

      一般纏繞特定蛋白質的組蛋白形成一種叫作核小體的結構。

      核小體由 4 組蛋白 H2A、H2B,H3 和 H4 組成。此外,組蛋白H1 形成 DNA 組裝外的核小體。特定的組蛋白修飾酶可以添加或刪除組蛋白的功能組,而這些修飾影響基因纏繞的組蛋白轉錄水平和 DNA 復制的水平。因此,有人可能認為健康細胞和癌細胞在組蛋白修飾的方面是不同的。與健康的細胞相比,癌細胞減少了組蛋白 H4 單甲基化和三甲基化的形成(H4ac 下降和 H4me3).在鼠模型中,科學家們發現組蛋白 H4 乙酰化作用和三甲基化作用的喪失增加了腫瘤的生長.而在染色體終端 H4K16ac 的喪失,尤其是失去了乙酰化作用 H4K16ac的喪失是衰老的標志。腫瘤抑制基因 p53 調節 DNA 修復,可以誘導凋亡細胞特異基因表達。E Soto-Reyes 和 F Recillas-Tar-ga 闡明 CTCF 蛋白在調節 p53 表達的重要性。CTCF 或 CCCTC結合因子,是一個鋅指蛋白,可通過抑制組蛋白修飾隔離 p53啟動子。在某些類型的腫瘤細胞,CTCF 蛋白質通常是游離的,和 p53 啟動子共同抑制組蛋白修飾,導致 p53 表達減少.表觀遺傳機制本身的突變也可能發生,可能導致癌細胞的表觀遺傳變化的特性。例如,H4K16ac 的減少可能是由于 HATs 的活性減低或增加了 SIRT1 去乙酰化作用。同樣,HDAC2 滅活轉移突變,組蛋白去乙酰酶,作用于許多賴氨酸組蛋白尾改變組蛋白乙酰化作用模式與癌癥的發生相關.這些發現表明通過酶的抑制或增強改變表觀遺傳作用與腫瘤發病機制相關,但是紫外線、電離輻射、環境毒素和代謝的化學物質所致的 DNA損傷也會導致基因組不穩定性和癌癥。DNA 雙鏈斷裂(DSB)所致的 DNA 損傷由組蛋白修飾介導。在 DSB,MRE11-RAD50-NBS1(MRN) 蛋白復合物招募毛細血管擴張性共濟失調突變(ATM) 激酶絲氨酸 129 位點組蛋白 2A 磷酸化。中介的 DNA損傷檢查點 1 結合磷酸肽和 H2AX 磷酸化可能通過 MRN-ATM招募和磷酸化的正反饋循環進行傳播,然后 TIP60 多聚泛素化可使 γH2AX 乙酰化,在細胞周期 G2/ M 點 DNA 修復 1 型乳腺癌易感蛋白復合物亞基(BRCA1-A) 受體相關蛋白 80 附著于組蛋白導致其泛素化,阻止 BRCA1-A 激活,從而啟動 DNA 修復或細胞凋亡.深入研究組蛋白密碼有望在基因調控和腫瘤發生上獲得新的突破,并可能提出新的治療靶點,將成為今后腫瘤基因治療的一個研究方向。

      2. 3 組蛋白修飾與心臟病 缺血性心肌病(ICM) 是指由于長期心肌缺血導致心肌局限性或彌漫性纖維化,從而產生心臟收縮和(或) 舒張功能受損,引起心臟擴大或僵硬、充血性心力衰竭、心律失常等一系列臨床表現的綜合征。表觀遺傳在調節心臟肥大深遠影響的重要性首先在操縱控制組蛋白乙酰化酶反映出來,組蛋白乙酰化尾巴的 HATs 中和組蛋白的正電荷,使核小體松散并促進轉錄。另一方面,脫乙酰作用由 HDACs 相互聯系導致轉錄抑制。缺乏 HDAC1 和 HDAC2(I 型 HDACs) 的鼠顯示嚴重心臟畸形和擴張性心肌病.I 型 HDAC 如HDAC3 的過度表達導致心室厚度增加,由于心肌細胞增生而不是肥大,而 4 月齡鼠特發性心臟病中 HDAC3 的缺如導致嚴重的心臟肥大.Ⅱ 型 HDACs (HDAC4,HDAC5 和HDAC9) 是重要的肥厚性基因的轉錄的信號傳導介質.鼠HDAC5 或 HDAC9 的缺如導致應激性心臟肥大的加劇。最近Ⅲ型 HDACs 成員(例如 SIRT1 和 SIRT6) 成為重要的肥厚性反應的調節器,因為這些 HDACs 抑制肥厚相關性基因的表達并通過他們的功能依賴細胞 NAD + 程度抑制一些過度肥大代謝。HDAC4 對于人類心臟發展是非常重要的,因為最近發現其突變存在于先天性心臟病(CHDs) 伴有指過短智力缺陷綜合征的患者。由此可見,HDACs 廣泛參與疾病的發生發展,調控心肌供需氧平衡、能量代謝、血管內皮功能等多個方面,組蛋白乙酰化修飾與 ICM 密切相關,值得深入研究。

      2. 4 組蛋白修飾與神經系統疾病 神經性疼痛造成外周或中樞神經系統的損壞,其特點是長期劇烈的疼痛。神經性疼痛的典型癥狀是自發性疼痛,并對觸摸痛和熱痛覺過敏,對常見的止痛藥如阿片類藥物和抗炎藥物不敏感.越來越多的證據表明,免疫細胞浸潤,如巨噬細胞、中性粒細胞和淋巴細胞,產生多種炎性分子導致神經性疼痛.值得注意的是,這些細胞中巨噬細胞被認為是最重要的。Norikazu 的研究中指出,增強型綠色熒光蛋白(EGFP) 嵌合子老鼠局部坐骨神經結扎(PSL) 后 1 d 和 7 d,在受傷的坐骨神經(SCN) 中骨髓(BM) 衍生細胞產生的 EGFP + 數量明顯增加了,而在虛擬的 SBN 手術后幾乎沒有觀察到 EGFP + 細胞。在 PSL 后1 d 和7 d H3K9Ac的標記定位于 EGFP + 細胞的細胞核中。與此同時,在受傷的SCN 觀察到 EGFP + 細胞的細胞核中 H3K4me3 被標記。定量分析顯示 H3K9Ac + 的百分比在受傷的 PSL 后 1 和 7 d 明顯大于虛擬手術組。同樣,PSL 后細胞核 H3K4me3 + 的百分比也增加了。因為浸潤的巨噬細胞長期參與外周神經炎是至關重要的所在,需進一步驗證是否組蛋白 H3 修飾發生在巨噬細胞。F4/80 + 巨噬細胞的數量在受傷的 PSL 后的 SCN 顯然高于虛擬手術組。H3K9Ac 和 H3K4me3 也在 PSL 7 d 后的 SCN 中巨噬細胞的細胞核定位。研究結果顯示 H3K4me3、H3K9Ac +、F4/80 + 的增加可能導致神經疼痛及外周神經炎癥反應。此外,在早衰大鼠模型的皮質和海馬部位,多個位點如 H3K24、H3K27、H3K36、H3K79、H4K20 的甲基化發生改變.研究發現在亨廷頓病患者的大腦皮質,CBP 蛋白受損后 H3K9 甲基轉移酶 ESET 的表達上調可導致 H3K9Me3 的顯著提高.組蛋白修飾具有穩定的表達調控,因此對組蛋白修飾酶及下游靶基因的研究,將為某些神經系統功能變異或疾病的早期識別和治療提供了理論依據。

      2. 5 組蛋白修飾與內分泌疾病 組蛋白翻譯后修飾通過招募染色質重塑蛋白質、轉錄激活和轉錄抑制共同調節染色質結構和基因表達。新興證據顯示了監管基因所涉及的關鍵蛋白翻譯后修飾與糖尿病的發病機制有關。在葡萄糖體內平衡調節中胰島素基因表達與胰島分泌物在應對血糖水平的變化是一個關鍵的過程,也就是說糖尿病的異常調節。研究表明,特定的胰島轉錄因子胰腺-十二指腸同源盒基因-1(Pdx-1) 可以通過表觀遺傳調控機制調節胰島素調控過程。高糖基條件下,Pdx1招募 HATs 激活劑 p300、CBP 和 HMT 中的 SET7/9(SET7) ,從而增加 H3 /H4 乙酰化和 H3K4 二甲基化的表達激活,并分別在胰島素啟動子促進染色質構象開放形成轉錄復合物和增強胰島素的轉錄.相反,在低糖基條件下,Pdx1 招募 HATs 抑制物 HDAC1、HDAC2,促進染色質凝集和抑制胰島素表達.

      有趣的是,Pdx-1 通過直接作用于 SET7 的啟動子控制著胰島的特異性表達.在代謝異常的發病機制中脂肪生成起著重要的作用,是由轉錄因子 CCAAT/增強子結合蛋白(C/EBP) β 和過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR) γ 嚴格控制。組蛋白PTMs 和招募相應修飾的動態變化可以調節 C / EBPβ 和 PPARγ誘導基因表達參與脂肪細胞分化.在未來的一些年這顯然是一個熱門的研究領域,有可能這些導致糖尿病的病理表觀遺傳改變也直接或間接地導致靶器官并發癥。

      2. 6 組蛋白修飾與炎性病變 表觀遺傳通過組蛋白乙酰化的動態調節,可能在膿毒癥的病理生理學方面扮演一個關鍵的角色。膿毒癥誘導的材料和方法是通過在 BALB/c 小鼠盲腸的結扎和穿刺(CLP) 實驗,手術前 3 h 給予一種新型廣譜 HDAC抑制劑 CG200745(10 mg/kg) 或 I 型 HDACs 主要抑制劑丙戊酸(500 mg/kg) 腹腔內注射。結果 CLP 后肺部 HDAC1、HDAC2、HDAC3 蛋白質含量減少了。此外,在肺部 CLP 誘導的膿毒癥組蛋白 H3 和 H4 的乙酰化水平增加。CG200745 給藥后,產生強烈的凋亡誘導。

      綜上所述,組蛋白修飾與人類健康密切相關,當人們一旦明確疾病發生的機制后,就可運用修改組蛋白密碼的技術來設計藥物和提出措施,以改變或調整基因表達的狀態和活性。這就可以解決很多利用傳統的藥物治療和基因治療行不能治愈的疾病,如 HDAC 抑制劑已在癌癥、神經、循環系統疾病等方面開展了治療研究,并且有些藥物已經進行了臨床試驗。

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