备课素材：组蛋白修饰 2022—2023学年高一下学期生物人教版必修2

组蛋白修饰 2019版高中生物学必修二说，DNA组蛋白修饰也会影响基因的表达： 那么，什么是组蛋白修饰？如何影响基因的表达？ 天然的DNA分子很长，尤其是在真核生物中，例如人类的DNA长度为2m（Bloom et al., 2010）。将如此庞大的遗传信息放入7μm左右的细胞核中，就需要将长DNA分子包装成更紧凑、更致密的高度压缩结构。这个结构叫做染色体，染色体是染色质高度螺旋后的形态。染色质的基本组成结构单位是核小体，因此参与核小体装配的组蛋白是决定染色质包装程度的重要因素之一。 图1 核小体结构。 简单来说，核小体由H2B、H2A、H3、H4四种组蛋白（Histone）亚基各两个拷贝形成的八聚体和缠绕在外约146bp的DNA组成（图1）。其中组蛋白N端（尾部）的氨基酸残基易受到翻译后修饰（PTM），包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等组蛋白修饰（图2）(Kouzarides et al., 2007)。近年来随着检测技术的进一步成熟，发现组蛋白的中间肽段位置以及C端也会被特异性修饰。这些修饰以不同的方式影响染色质的紧密度和可及性，从而影响基因的表达，最终影响生物各方面的生理和发育过程，是真核生物调节基因表达最重要的表观遗传调控方式之一(Lawrence et al., 2016)。 由于组蛋白修饰的类型众多，回顾一下组蛋白修饰的描述规则：组蛋白结构+氨基酸名称+氨基酸位置+修饰类型。例如：H3K4ac代表H3组蛋白的第4位赖氨酸的乙酰化；H2AK119ub1代表H2A组蛋白的第199位赖氨酸的单泛素化。 图2 显示组蛋白尾部翻译后修饰的示意图(Lawrence et al., 2016)。数字显示每个修饰的位置，字母表示每个修饰位点的氨基酸（K=赖氨酸，R=精氨酸，S=丝氨酸，T=苏氨酸）。颜色展示了每个氨基酸残基具体的修饰类型（绿色=甲基化，粉色=乙酰化，绿松石=磷酸化，米色=泛素化）。 组蛋白修饰是目前生命科学研究的热点。在pubmed数据库中搜索“Histone modification”可以看到该方向的文章数量逐年增加（图3）。截止至2023年3月31日，该方向的文献已达663篇。搜索“(Histone modification) AND (plant)”可以看到组蛋白修饰在植物领域的研究文献也不少（图4）。伴随着高通量测序的发展，关于组蛋白修饰在高等植物，特别是在重要农作物上的研究热度呈持续上升趋势。组蛋白修饰在植物的生长发育、重要农艺性状、抗生物胁迫、抗非生物胁迫等方面取得了一系列重要的进展。对植物的组蛋白修饰进行研究是一个不错的选择，该研究对于提高植物抗性、植物表型形成机制研究、器官再生和作物改良等方面可以提供一定的理论知识和技术指导。 图3 从2005-2023年在pubmed数据库中搜索“Histone modification”得到的文献数量。 图4 从2005-2023年在pubmed数据库中搜索“(Histone modification) AND (plant)”得到的文献数量。 早在20世纪中叶，科学家们就开始对组蛋白修饰进行分析。1964年Allfrey等人提出了组蛋白乙酰化和甲基化修饰水平的升高与基因的转录激活呈正相关的假说。这一假说在此后的大量研究中得到了验证，并且还发现了其他类型的组蛋白修饰，如拟南芥转录调控中的磷酸化和泛素化(Ueda and Seki, 2020)。组蛋白乙酰化和甲基化研究最为广泛，被认为是基因表达中两种重要且普遍存在的表观遗传调控机制。 组蛋白修饰是可逆共价修饰。这种共价修饰的发生、去除以及发挥作用又主要通过组蛋白修饰酶及相应的辅因子进行调控（图5），包括Writer（写入）、Eraser（擦除）和Reader/Effector（读取）三大类(Liu et al., 2010)。Writer是催化化学基团添加到组蛋白上对其进行修饰的酶，例如：乙酰转移酶（HATs）、甲基转移酶（HMTs）、激酶和泛素酶等。Eraser是从组蛋白上去除这些修饰的酶，例如：去乙酰化酶（HDACs）、去甲基化酶（HDMs）、磷酸酶、和去泛素化酶等。Reader是识别特定翻译后修饰的底物并与之特异性结合的蛋白质或蛋白质复合物。 图5 Writer、Eraser和Reader/Effector联合调控组蛋白修饰的水平和类型(Liu et al., 2010)。 下面是常见的四种组蛋白修饰、部分修饰位点以及功能及组蛋白修饰酶： 1. 组蛋白乙酰化修饰 1.1 组蛋白乙酰化修饰位点和功能 组蛋白乙酰化多发生在组蛋白H3和H4的N端赖氨酸残基上。组蛋白带正电荷，DNA带负电荷，所以组蛋白与DNA结合非常紧密。而组蛋白乙酰转移酶将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白的赖氨酸残基上，会中和组蛋白的正电荷，