前几天忙着MSKCC的面试，好不容易拿了一个非常满意的offer了，新的实验室主要是histone modification方向。但是这个方向我从来没有深入的了解过，所以要恶补起来了~~就从最基本的开始吧：histone的翻译后修饰的writers, readers和erasers。

PTM: post-translational modifications writing: acetyltransferases methyltransferases Erasing: deacetylases demethylases Reading: acetyl readers methyl readers

下面两张图是H2A, H2B, H3和H4的不同位点上的不同修饰的图谱，摘自cellsignal网站：

组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferases)就是这类表观遗传“Writers”之一，根据其靶标的residue的不同，又进一步细分为赖氨酸甲基转移酶(lysine methyltransferases)和精氨酸甲基转移酶(arginine methyltransferases)。蛋白质赖氨酸甲基转移酶(Protein lysine methyltransferases)，也被称为PKMTs，催化一个甲基从辅因子s -腺苷蛋氨酸(SAM)转移到暴露的组蛋白尾部的赖氨酸侧链上。组蛋白赖氨酸甲基化可将一个、两个或三个甲基基团转移到组蛋白尾部。甲基化程度具有生物学意义，因为与甲基化组蛋白相互作用的蛋白质能够区分单甲基化赖氨酸、双甲基化赖氨酸和三甲基化赖氨酸。在蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMTs)催化的反应中，组蛋白精氨酸残基也可能发生甲基化。PRMTs产生单甲基化或双甲基化的精氨酸残基，双甲基化可以对称发生或不对称发生。甲基添加到精氨酸残基的对称性决定了表观遗传修饰的生物学效应：非对称双甲基化与基因激活有关，而对称双甲基化与基因抑制有关。

除了甲基标记外，组蛋白赖氨酸残基还可以通过组蛋白乙酰转移酶(HATs)的活性进行乙酰化。乙酰基从辅助因子乙酰辅酶a（acetyl-CoA）转移到组蛋白尾部赖氨酸残基上，中和赖氨酸的正电荷，这削弱了组蛋白尾部对DNA的亲和力，减少了染色质的凝聚。由于更宽松、开放的染色质结构能够招募转录因子和聚合酶，组蛋白乙酰化可促进基因表达。

催化组蛋白尾部磷酸化的酶也是重要的表观遗传“writers”。例如，JAK2磷酸化组蛋白H3 (H3Y41)会破坏异染色质蛋白HP1α与染色质的结合，导致致癌基因lmo2的DNA可接近性和转录增加。其他激酶包括Haspin、Pim-1、PKC和ATM/ATR激酶也涉及组蛋白的磷酸化和随后的基因表达修饰。

另一个改变基因表达的表观遗传标记是泛素化。组蛋白H2A和H2B上的赖氨酸残基可以通过E2泛素结合酶和E3泛素连接酶的协同作用进行单泛素化。组蛋白H2A泛素通过参与抑制复合体，包括Polycomb抑制复合体1 (PRC1)，与基因沉默相关。相反，histone H2B泛素化被认为是RNA聚合酶活性的检查点，为Ctk1招募到RNA聚合酶II的转录早期延伸提供了一种停滞机制，并与基因沉默和基因转录有关。进一步的区别是，组蛋白H2B是组蛋白H3赖氨酸-9 (H3K9)双甲基化和三甲基化的先决条件，而H2A泛素化抑制了组蛋白赖氨酸甲基化。

DNA也可以通过不同的机制进行甲基化。DNA甲基转移酶(DNMTs)将甲基加到核苷酸上，发生在DNA双螺旋的主“沟”处，并通过阻断转录因子和聚合酶的结合来阻止转录。DNA甲基化主要涉及胚胎发育、基因组印记和染色体稳定性的保留。已知有两种类型的DNA甲基化-从头（de novo）甲基化和维持甲基化。De novo甲基化主要由DNA甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B进行，催化甲基基团加到胞嘧啶核苷酸上。由于细胞复制不能保留这种甲基化，维持甲基化将这些标记从母体DNA复制到子DNA链上。DNMT1在体外对半甲基化DNA的高亲和力表明，该酶在体内主要负责维持DNA甲基化。

readers结构域的结构通常提供一个腔或表面沟槽，其中容纳特定的表观遗传标记。reader结构域和修饰氨基酸的侧翼序列之间的相互作用也允许包含reader结构域的蛋白质区分类似的表观遗传标记，例如组蛋白赖氨酸单甲基化、双甲基化和三甲基化。

包含readers结构域的蛋白质可以广泛地分为四类：染色质结构蛋白，染色质重塑酶，染色质修饰蛋白，以及参与基因表达的其他机制的接头蛋白。第一类是染色质结构蛋白，与核小体结合，可以直接诱导染色质压缩，也可以作为一个屏障来阻止RNA转录蛋白质的结合。

与染色质结构蛋白相比，染色质重塑酶促进了更开放的染色质结构。染色质易接近性的增加有助于DNA转录。染色质结构的这种结构转变是由ATP水解的能量驱动的。其中一个例子是酵母染色质重塑酶复合物，RSC，在其Rsc4亚基中包含串联溴域，它将复合物招募到组蛋白H3 (H3K14)上的乙酰化赖氨酸残基上。RSC参与了许多细胞过程，包括核小体重塑，其结果是促进RNA聚合酶II招募到潜在的DNA，促进基因转录。

除了染色质重塑酶和结构蛋白外，许多其他含有读区的蛋白不能直接影响染色质的结构，而是用来招募二级染色质modifiers来进一步修饰染色质或逆转现有的染色质修饰。辅抑制因子复合体Sin3S通过Sin3串联溴域被招募到甲基化组蛋白赖氨酸残基。由于组蛋白去乙酰酶HDAC1、HDAC2和HDAC3也在Sin3S复合物中被发现，该复合物的招募促使了二级组蛋白修饰:组蛋白去乙酰化。

最后一类含有reader结构域的蛋白质是接头蛋白。这些结构域的主要功能是招募与DNA代谢过程相关的因子，包括转录、DNA损伤修复、DNA重组、DNA复制和RNA处理。MDC1的BRCT结构域-（DNA损伤反应的关键中介）与组蛋白H2AX上的磷酸化丝氨酸残基的相互作用作为一个接头，将组蛋白泛素连接酶RNF8招募到双链断裂侧边染色质上。随后的组蛋白泛素化本身会激活修复机制，包括肿瘤蛋白p53结合蛋白1 (TP53BP1)。

组蛋白乙酰化是一种重要的翻译后修饰，无论是对组蛋白还是非组蛋白，都对磷酸化调控细胞过程有很大的影响。在表观遗传学中，组蛋白乙酰化是降低染色质凝聚从而促进基因转录的一种完整机制，但同样重要的机制是通过组蛋白去乙酰化酶(HDACs)的作用去除乙酰基。HDACs可分为I组和II组。第I类，进一步分为classes I, II 和 IV，含有锌依赖的酰胺水解酶。而第II类酶，也被称为III类或SIRTs，依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)作为辅助因子。

组蛋白磷酸酶可以靶向组蛋白上磷酸化的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。丝氨酸/苏氨酸磷酸酶PP1、PP2A和PP4等已被报道能使组蛋白去磷酸化。例如，PP2A的催化亚基与磷酸化的H2AX共域，H2AX是组蛋白H2A的磷酸化序列变体，在DNA双链断裂侧的染色质区域内迅速浓缩。磷酸化的H2AX作为DNA修复蛋白的停靠位点（docking site），一旦双链断裂重新连接，就从染色质中释放出来，这种机制被认为与PP2A有关。

从组蛋白赖氨酸残基中去除泛素基团是由去泛素化酶(DUBs)催化的。这些蛋白可进一步分为泛素特异性蛋白酶(USPs)和Jab1/MPN结构域相关金属异肽酶(JAMM)结构域蛋白。USP和JAMM家族成员都已被证明靶向组蛋白H2A和H2B，它们调控转录、DNA修复、基因表达和细胞周期进展。与其他组蛋白修饰相比，人们对组蛋白泛素的功能了解较少，但越来越多的证据表明，这种表观遗传修饰在DNA损伤反应中发挥着重要作用。

第一个被发现的组蛋白去甲基化酶是赖氨酸特异性去甲基化酶1 (LSD1)，也称为KDM1。LSD1包含一个氨基酸氧化酶结构域，它与辅助因子黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)结合，对去甲基化至关重要。另外一个赖氨酸去甲基化酶家族也被鉴定出来，称为Jumonji C结构域去甲基化酶(JMJD)。去甲基化酶不需要FAD作为辅助因子，而是依赖于Fe2+/2- oxogarate (2-OG)催化。迄今为止，只有一种酶具有精氨酸去甲基酶活性，即JMJD6，它是一种依赖于2- og的JmjC去甲基酶。

与从组蛋白中移除表观遗传标记的明确机制相反，甲基从核苷酸中移除的机制仍然不清楚。然而，已知的是，DNA去甲基化既可以主动发生，也可以被动发生。被动DNA去甲基化是指在有丝分裂期间维持DNMTs无法使新合成的DNA链甲基化，而催化活性DNA去甲基化发生的分子机制尚未被阐明。由于DNA去甲基化在生殖细胞的表观遗传重编程等过程中至关重要，进一步研究活性DNA去甲基化的机制可能在干细胞研究中找到新的靶点。

参考：