Войти
Метилирование гистонов - это процесс, с помощью которого образуются метильные группы переданы в аминокислоты из гистонов белков, составляющих нуклеосомы, которые двойная спираль ДНК обвивается вокруг, образуя хромосомы. Метилирование гистонов может увеличивать или уменьшать транскрипцию генов, в зависимости от того, какие аминокислоты в гистонах метилированы и сколько метильных групп присоединено. События метилирования, которые ослабляют химическое притяжение между гистоновыми хвостами и ДНК, увеличивают транскрипцию, потому что они позволяют ДНК раскручиваться из нуклеосом, так что белки факторов транскрипции и РНК-полимераза могут получить доступ к ДНК. Этот процесс имеет решающее значение для регуляции экспрессии генов, что позволяет различным клеткам экспрессировать разные гены.
Метилирование гистона, как механизм изменения структуры хроматина, связано со стимуляцией известных нервных путей быть важным для формирования долговременной памяти и обучения. Модели на животных показали, что метилирование и другие механизмы эпигенетической регуляции связаны с условиями старения, нейродегенеративными заболеваниями и умственной отсталостью (синдром Рубинштейна – Тайби, Х-связанная умственная отсталость ). Эта модификация изменяет свойства нуклеосомы и влияет на ее взаимодействия с другими белками, особенно в отношении процессов транскрипции генов.
Основная единица хроматина, называемая нуклеосома, содержит ДНК, намотанную вокруг белка октамера. Этот октамер состоит из двух копий каждого из четырех гистоновых белков: H2A, H2B, H3 и H4. Каждый из этих белков имеет удлинение хвоста, и эти хвосты являются мишенями модификации нуклеосом путем метилирования. Активация или инактивация ДНК в значительной степени зависит от метилированного специфического хвостового остатка и степени его метилирования. Гистоны могут быть метилированы только по остаткам лизина (K) и аргинина (R), но метилирование наиболее часто наблюдается по остаткам лизина хвостов гистонов H3 и H4. Хвостовой конец, наиболее удаленный от ядра нуклеосомы, является N-концом (остатки нумеруются, начиная с этого конца). Общие сайты метилирования, связанные с активацией гена, включают H3K4, H3K48 и H3K79. Общие сайты инактивации генов включают H3K9 и H3K27. Исследования этих сайтов показали, что метилирование гистоновых хвостов по разным остаткам служит маркером для привлечения различных белков или белковых комплексов, которые служат для регулирования активации или инактивации хроматина.
Остатки лизина и аргинина содержат аминогруппы, которые придают основные и гидрофобные характеристики. Лизин может быть моно-, ди- или триметилирован с помощью метильной группы, замещающей каждый водород своей группы NH3 +. Имея свободные группы NH2 и NH2 +, аргинин может быть моно- или диметилирован. Это диметилирование может происходить асимметрично по группе NH2 или симметрично с одним метилированием в каждой группе. Каждое добавление метильной группы к каждому остатку требует определенного набора белковых ферментов с различными субстратами и кофакторами. Как правило, для метилирования остатка аргинина требуется комплекс, включающий протеин-аргининметилтрансферазу (PRMT), в то время как для лизина требуется специфическая гистон-метилтрансфераза (HMT), обычно содержащая эволюционно консервативный домен SET.
Разные степени. метилирования остатка может выполнять разные функции, как показано на примере метилирования обычно изучаемого остатка H4K20. Монометилированный H4K20 (H4K20me 1) участвует в уплотнении хроматина и, следовательно, в репрессии транскрипции. Однако H4K20me2 жизненно важен для восстановления поврежденной ДНК. При диметилировании остаток обеспечивает платформу для связывания белка 53BP1, участвующего в репарации разрывов двухцепочечной ДНК за счет негомологичного соединения концов. Наблюдается, что H4K20me3 концентрируется в гетерохроматине, и снижение этого триметилирования наблюдается при прогрессировании рака. Следовательно, H4K20me3 выполняет дополнительную роль в репрессии хроматина. Восстановление двухцепочечных разрывов ДНК в хроматине также происходит посредством гомологичной рекомбинации и также включает метилирование гистонов (H3K9me3 ) для облегчения доступа ферментов репарации к участкам повреждения.
Вид спереди человеческого фермента гистон-лизин-N-метилтрансфераза, H3-лизин-4-специфическая. 131>Геном плотно конденсирован в хроматин, который необходимо расшатать для транскрипции. Чтобы остановить транскрипцию гена, ДНК должна быть намотана плотнее. Это может быть сделано путем модификации гистонов в определенных сайтах путем метилирования. Гистоновые метилтрансферазы представляют собой ферменты, которые переносят метильные группы с S-аденозилметионина (SAM) на остатки лизина или аргинина гистонов H3 и H4. Имеются также примеры метилирования основных глобулярных доменов гистонов.
Гистоновые метилтрансферазы специфичны либо к лизину, либо к аргинину. Лизинспецифические трансферазы далее подразделяются на то, имеют ли они домен SET или не домен SET. Эти домены точно определяют, как фермент катализирует перенос метила от SAM к белку-переносчику и далее к остатку гистона. Метилтрансферазы могут добавлять 1-3 метила к целевым остаткам.
Эти метилы, которые добавляются к гистонам, регулируют транскрипцию, блокируя или стимулируя доступ ДНК к факторам транскрипции. Таким образом, целостность генома и эпигенетическая наследственность генов находятся под контролем гистоновых метилтрансфераз. Метилирование гистонов играет ключевую роль в различении целостности генома и генов, которые экспрессируются клетками, что придает клеткам их идентичность.
Метилированные гистоны могут репрессировать или активировать транскрипцию. Например, while, H3K4me3 и обычно связаны с транскрипционной активностью, тогда как H3K9me2, H3K9me3, H3K27me3 и H4K20me3 связаны с репрессией транскрипции.
Эпигенетические механизмы Модификации гистона влияют на гены, которые экспрессируются в клетке, и это тот случай, когда метилы добавляется к остаткам гистонов гистоновыми метилтрансферазами. Метилирование гистонов играет важную роль в сборке механизма гетерохроматина и поддержании границ между генами, которые транскрибируются, и генами, которые не транскрибируются. Эти изменения передаются потомству и могут зависеть от среды, в которой находятся клетки. Эпигенетические изменения обратимы, что означает, что они могут быть мишенью для терапии.
Активность гистоновых метилтрансфераз компенсируется активностью гистоновых деметилаз. Это позволяет включать или выключать транскрипцию путем отмены ранее существовавших модификаций. Это необходимо для жесткой регуляции активности как гистон-метилтрансфераз, так и гистон-деметилаз. Неправильная регуляция любого из них может привести к экспрессии генов, что приводит к повышенной восприимчивости к заболеванию. Многие виды рака возникают из-за несоответствующих эпигенетических эффектов неправильной регуляции метилирования. Однако, поскольку эти процессы временами обратимы, есть интерес использовать их действия вместе с противораковыми методами лечения.
У женских организмов сперматозоиды, содержащие Х-хромосома оплодотворяет яйцеклетку, давая эмбриону две копии Х-хромосомы. Однако самкам изначально не требуются обе копии Х-хромосомы, так как это только удвоит количество транскрибируемых белковых продуктов, как показано в гипотезе дозовой компенсации. Отцовская Х-хромосома быстро инактивируется в течение нескольких первых делений. Эта неактивная Х-хромосома (Xi) упакована в невероятно плотную форму хроматина, называемую гетерохроматином. Эта упаковка происходит из-за метилирования различных остатков лизина, которые помогают формировать разные гистоны. У человека инактивация X является случайным процессом, который опосредуется некодирующей РНК XIST.
Хотя метилирование остатков лизина происходит на многих различных гистонах, наиболее характерное для Xi происходит на девятом лизине третьего гистон (H3K9). В то время как однократное метилирование этой области позволяет связанным генам оставаться транскрипционно активными, в гетерохроматине этот остаток лизина часто метилируется дважды или трижды, H3K9me2 или H3K9me3 соответственно, чтобы гарантировать, что связанная ДНК неактивна. Более поздние исследования показали, что H3K27me3 и H4K20me1 также часто встречаются у ранних эмбрионов. Другие метки метилирования, связанные с транскрипционно активными областями ДНК, H3K4me2 и H3K4me3, отсутствуют в Xi-хромосоме вместе со многими метками ацетилирования. Хотя было известно, что определенные метки метилирования Xi гистона остаются относительно постоянными у разных видов, недавно было обнаружено, что разные организмы и даже разные клетки в пределах одного организма могут иметь разные метки для их инактивации X. За счет метилирования гистонов происходит генетический импринтинг, так что один и тот же гомолог X остается инактивированным в результате репликации хромосом и делений клеток.
В связи с тем, что метилирование гистонов регулирует большую часть того, какие гены становятся транскрибируемыми, даже незначительные изменения в паттернах метилирования могут иметь тяжелые последствия для организма. Мутации, которые вызывают увеличение или уменьшение метилирования, сильно влияют на регуляцию генов, в то время как мутации ферментов, таких как метилтрансфераза и деметилтрансфераза, могут полностью изменить, какие белки транскрибируются в данной клетке. Чрезмерное метилирование хромосомы может привести к инактивации определенных генов, необходимых для нормального функционирования клеток. В определенном штамме дрожжей, Saccharomyces cerevisiae, мутация, которая вызывает метилирование трех остатков лизина на третьем гистоне, H3K4, H3K36 и H3K79, вызывает задержку митотического клеточного цикла, поскольку многие гены, необходимые для этой прогрессии, инактивированы. Эта крайняя мутация приводит к гибели организма. Было обнаружено, что делеция генов, которые в конечном итоге позволят продуцировать гистонметилтрансферазу, позволяет этому организму жить, поскольку его остатки лизина не метилированы.
В последние годы внимание исследователей привлекло многие виды рака вызваны в основном эпигенетическими факторами. Рак может быть вызван различными путями из-за дифференциального метилирования гистонов. С момента открытия онкогенов, а также генов-супрессоров стало известно, что большой фактор, вызывающий и подавляющий рак, находится в нашем собственном геноме. Если области вокруг онкогенов станут неметилированными, эти вызывающие рак гены могут транскрибироваться с угрожающей скоростью. Напротив, метилирование генов-супрессоров опухолей. В тех случаях, когда области вокруг этих генов были сильно метилированы, ген-супрессор опухоли не был активен, и поэтому вероятность возникновения рака была выше. Эти изменения в паттерне метилирования часто происходят из-за мутаций метилтрансферазы и деметилтрансферазы. Другие типы мутаций в белках, таких как изоцитратдегидрогеназа 1 (IDH1) и изоцитратдегидрогеназа 2 (IDH2), могут вызывать инактивацию гистон-деметилтрансферазы, что, в свою очередь, может привести к множеству видов рака, глиом и лейкозов, в зависимости от того, в каких клетках мутация
В одноуглеродном метаболизме аминокислоты глицин и серин превращаются через фолатный и метиониновый циклы в предшественников нуклеотидов и SAM. Множественные питательные вещества питают одноуглеродный метаболизм, включая глюкозу, серин, глицин и треонин. Высокие уровни метильного донора SAM влияют на метилирование гистонов, что может объяснить, как высокие уровни SAM предотвращают злокачественную трансформацию.
