Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

H3K4me3 представляет собой эпигенетическую модификацию белка упаковки ДНК гистона H3 . Это знак , что указывает на три- метилирование на 4 - лизина остатком гистона H3 белка и часто участвуют в регуляции экспрессии генов . [1] Название означает добавление трех метильных групп ( триметилирование ) к лизину 4 на белке гистона H3 .

H3 используется для упаковки ДНК в эукариотических клетках (включая клетки человека), а модификации гистона изменяют доступность генов для транскрипции. H3K4me3 обычно связан с активацией транскрипции близлежащих генов. H3K4 триметилирование регулирует экспрессию генов через хроматина с помощью NURF комплекса. [2] Это делает ДНК в хроматине более доступной для факторов транскрипции , позволяя генам транскрибироваться и экспрессироваться в клетке. Более конкретно, обнаружено, что H3K4me3 положительно регулирует транскрипцию, приводя кгистонацетилазы и ферменты ремоделирования нуклеосом (NURF). [3] H3K4me3 также играет важную роль в генетической регуляции активности стволовых клеток и их происхождения . [4] Это связано с тем, что эта модификация гистонов в большей степени обнаруживается в областях ДНК, которые связаны с развитием и установлением идентичности клеток. [5]

Номенклатура [ править ]

H3K4me1 указует монометилирование из лизина 4 на гистоне Н3 белковой субъединицы:

Сокр.Смысл
H3Семейство гистонов H3
Kстандартное сокращение для лизина
4положение аминокислотного остатка

(считая от N-конца)

меняметильная группа
3количество добавленных метильных групп

Метилирование лизина [ править ]

Метилирование-лизин

На этой диаграмме показано прогрессирующее метилирование остатка лизина. Три-метилирование означает метилирование, присутствующее в H3K4me3.

Модификация H3K4me3 создается лизин-специфической гистон-метилтрансферазой (HMT), переносящей три метильные группы на гистон H3. [6] H3K4me3 метилируется комплексами метилтрансферазы, содержащими белок WDR5 , который содержит мотив белка с повторами WD40 . [7] WDR5 специфически связывается с диметилированным H3K4 и допускает дальнейшее метилирование метилтрансферазами, что позволяет создавать и считывать модификацию H3K4me3. [8] Было показано, что активность WDR5 необходима для онтогенетических генов, таких как Hox-гены , которые регулируются метилированием гистонов. [7]

Эпигенетический маркер [ править ]

H3K4me3 - это обычно используемая модификация гистонов. H3K4me3 - одна из наименее распространенных модификаций гистонов; однако он высоко обогащен активными промоторами вблизи сайтов начала транскрипции (TSS) [9] и положительно коррелирует с транскрипцией. H3K4me3 используется в качестве гистонового кода или гистоновой метки в эпигенетических исследованиях (обычно идентифицируемых посредством иммунопреципитации хроматина ) для идентификации активных промоторов генов .

H3K4me3 способствует активации гена за счет действия комплекса NURF, белкового комплекса, который действует через мотив белка пальца PHD для ремоделирования хроматина. [2] Это делает ДНК в хроматине доступной для факторов транскрипции , позволяя генам транскрибироваться и экспрессироваться в клетке.

Понимание модификаций гистонов [ править ]

Геномная ДНК эукариотических клеток обернута вокруг специальных белковых молекул, известных как гистоны . Комплексы, образованные петлей ДНК, известны как хроматин . Основной структурной единицей хроматина является нуклеосома : она состоит из основного октамера гистонов (H2A, H2B, H3 и H4), а также линкерного гистона и около 180 пар оснований ДНК. Эти гистоны ядра богаты остатками лизина и аргинина. Карбоксильный (C) конец этих гистонов способствует взаимодействию гистонов с гистонами, а также взаимодействиям гистонов с ДНК. Амино (N) -концевые заряженные хвосты являются местом посттрансляционных модификаций, таких как та, которая наблюдается в H3K4me1. [10] [11]

Роль в стволовых клетках и эмбриогенезе [ править ]

Регуляция экспрессии генов с помощью H3K4me3 играет важную роль в определении судьбы стволовых клеток и раннем развитии эмбриона. Плюрипотентные клетки имеют отличительные паттерны метилирования, которые можно идентифицировать с помощью ChIP-seq . Это важно для развития индуцированных плюрипотентных стволовых клеток . Один из способов найти индикаторы успешной индукции плюрипотентности - сравнить эпигенетический паттерн с паттерном эмбриональных стволовых клеток . [12]

В двухвалентном хроматине H3K4me3 локализован совместно с репрессивной модификацией H3K27me3 для контроля регуляции гена. [13] H3K4me3 в эмбриональных клетках является частью двухвалентной хроматиновой системы, в которой участки ДНК одновременно маркируются активирующими и подавляющими метилирование гистонов. [13] Считается, что это обеспечивает гибкую систему экспрессии генов, в которой гены в первую очередь репрессируются, но могут быстро экспрессироваться благодаря H3K4me3 по мере того, как клетка прогрессирует в процессе развития. [14] Эти области, как правило, совпадают с генами факторов транскрипции, экспрессируемыми на низких уровнях. [14] Некоторые из этих факторов, такие как гены Hox, необходимы для контроля развития и клеточной дифференцировки во время эмбриогенеза . [2] [14]

Ремонт ДНК [ править ]

H3K4me3 присутствует на участках двухцепочечных разрывов ДНК, где он способствует репарации с помощью негомологичного пути соединения концов . [15] Предполагается, что связывание H3K4me3 необходимо для функционирования таких генов, как ингибитор белка роста 1 (ING1) , которые действуют как супрессоры опухоли и запускают механизмы восстановления ДНК. [16]

Когда происходит повреждение ДНК, в результате модификации гистонов в хроматине начинается передача сигналов и восстановление ДНК. Механически деметилирование H3K4me3 используется для специфического связывания белков и привлечения их к повреждению ДНК [17]

Эпигенетические последствия [ править ]

Посттрансляционная модификация гистоновых хвостов с помощью комплексов модификации гистонов или комплексов ремоделирования хроматина интерпретируется клеткой и приводит к сложному комбинаторному выходу транскрипции. Считается, что код гистонов диктует экспрессию генов за счет сложного взаимодействия между гистонами в определенной области. [18] Текущее понимание и интерпретация гистонов происходит из двух крупномасштабных проектов: ENCODE и эпигеномной дорожной карты. [19]Целью эпигеномного исследования было изучить эпигенетические изменения по всему геному. Это привело к состояниям хроматина, которые определяют области генома путем группирования взаимодействий различных белков и / или модификаций гистонов вместе. Состояние хроматина исследовали в клетках дрозофилы, изучая место связывания белков в геноме. Использование ChIP-секвенирования позволило выявить в геноме участки, характеризующиеся различной полосатостью. [20] Различные стадии развития были профилированы и у Drosophila, акцент был сделан на релевантности модификации гистонов. [21] Изучение полученных данных привело к определению состояний хроматина на основе модификаций гистонов. [22]Были нанесены на карту определенные модификации, и было замечено, что обогащение локализуется в определенных геномных регионах. Было обнаружено пять модификаций коровых гистонов, каждая из которых связана с различными функциями клеток.

  • H3K4me3-промоторы
  • H3K4me1 - праймированные энхансеры
  • H3K36me3 -генные тела
  • H3K27me3 -поликомб репрессия
  • H3K9me3 -гетерохроматин

Геном человека был аннотирован состояниями хроматина. Эти аннотированные состояния могут использоваться как новые способы аннотирования генома независимо от лежащей в основе последовательности генома. Эта независимость от последовательности ДНК обеспечивает эпигенетический характер модификаций гистонов. Состояния хроматина также полезны для идентификации регуляторных элементов, не имеющих определенной последовательности, таких как энхансеры . Этот дополнительный уровень аннотации позволяет глубже понять регуляцию клеточно-специфических генов. [23]

Методы [ править ]

Гистоновую метку H3K4me3 можно обнаружить разными способами:

1. Последовательность иммунопреципитации хроматина ( ChIP-секвенирование ) измеряет количество обогащенной ДНК, однажды связанной с целевым белком и подвергшейся иммунопреципитации . Это приводит к хорошей оптимизации и используется in vivo для выявления связывания ДНК с белком, происходящего в клетках. ChIP-Seq можно использовать для идентификации и количественного определения различных фрагментов ДНК для различных модификаций гистонов вдоль геномной области. [24]

2. Секвенирование микрококковой нуклеазы ( MNase-seq ) используется для исследования областей, которые связаны с хорошо расположенными нуклеосомами. Использование фермента микрококковой нуклеазы используется для определения положения нуклеосом. Видно, что хорошо расположенные нуклеосомы имеют обогащенные последовательности. [25]

3. Анализ последовательности хроматина, доступного для транспозаз ( ATAC-seq ), используется для поиска участков, свободных от нуклеосом (открытый хроматин). Он использует гиперактивный транспозон Tn5, чтобы выделить локализацию нуклеосом. [26] [27] [28]

См. Также [ править ]

  • Метамфетамин # зависимость
  • Метилирование гистонов
  • Гистоновая метилтрансфераза
  • Метиллизин

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Sims RJ, Nishioka K, Reinberg D (ноябрь 2003 г.). «Метилирование гистонового лизина: признак функции хроматина». Тенденции в генетике . 19 (11): 629–39. DOI : 10.1016 / j.tig.2003.09.007 . PMID  14585615 .
  2. ^ a b c Высоцка Дж., Свигат Т., Сяо Х., Милн Т.А., Квон С.Ю., Ландри Дж. и др. (Июль 2006 г.). «Палец PHD NURF связывает триметилирование лизина 4 гистона H3 с ремоделированием хроматина». Природа . 442 (7098): 86–90. Bibcode : 2006Natur.442 ... 86W . DOI : 10,1038 / природа04815 . PMID 16728976 . 
  3. ^ Сантос-Роса Х, Шнайдер Р., Бернштейн Б. Е., Карабецу Н., Морильон А., Вайз С. и др. (Ноябрь 2003 г.). «Метилирование гистона H3 K4 опосредует ассоциацию АТФазы Isw1p с хроматином». Молекулярная клетка . 12 (5): 1325–32. DOI : 10.1016 / s1097-2765 (03) 00438-6 . PMID 14636589 . 
  4. ^ Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J и др. (Апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках». Cell . 125 (2): 315–26. CiteSeerX 10.1.1.328.9641 . DOI : 10.1016 / j.cell.2006.02.041 . PMID 16630819 .  
  5. ^ Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J и др. (Апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках». Cell . 125 (2): 315–26. DOI : 10.1016 / j.cell.2006.02.041 . PMID 16630819 . 
  6. ^ Rice JC, Briggs SD, Ueberheide B, Barber CM, Shabanowitz J, Hunt DF и др. (Декабрь 2003 г.). «Гистоновые метилтрансферазы управляют разными степенями метилирования для определения различных доменов хроматина». Молекулярная клетка . 12 (6): 1591–8. DOI : 10.1016 / s1097-2765 (03) 00479-9 . PMID 14690610 . 
  7. ^ a b Wysocka J, Swigut T, Milne TA, Dou Y, Zhang X, Burlingame AL, et al. (Июнь 2005 г.). «WDR5 ассоциируется с гистоном H3, метилированным по K4, и необходим для метилирования H3 K4 и развития позвоночных». Cell . 121 (6): 859–72. DOI : 10.1016 / j.cell.2005.03.036 . PMID 15960974 . 
  8. ^ Ruthenburg AJ, Ван W, Graybosch DM, Ли H, Allis CD, Patel DJ, Verdine GL (август 2006). «Распознавание и представление гистона H3 модулем WDR5 комплекса MLL1» . Структурная и молекулярная биология природы . 13 (8): 704–12. DOI : 10.1038 / nsmb1119 . PMC 4698793 . PMID 16829959 .  
  9. ^ Liang G, Lin JC, Wei V, Yoo C, Cheng JC, Nguyen CT и др. (Май 2004 г.). «Четкая локализация ацетилирования гистона H3 и метилирования H3-K4 в сайтах начала транскрипции в геноме человека» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (19): 7357–62. Bibcode : 2004PNAS..101.7357L . DOI : 10.1073 / pnas.0401866101 . PMC 409923 . PMID 15123803 .  
  10. ^ Ruthenburg AJ, Ли H, Patel DJ, Allis CD (декабрь 2007). «Многовалентное взаимодействие модификаций хроматина за счет связанных связывающих модулей» . Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 8 (12): 983–94. DOI : 10.1038 / nrm2298 . PMC 4690530 . PMID 18037899 .  
  11. ^ Kouzarides T (февраль 2007). «Модификации хроматина и их функции». Cell . 128 (4): 693–705. DOI : 10.1016 / j.cell.2007.02.005 . PMID 17320507 . 
  12. ^ Тезар PJ, Ченауэт Ю.Г., Брук Ф., Дэвис TJ, Эванс Е.П., Мак DL, и др. (Июль 2007 г.). «Новые клеточные линии эпибласта мыши имеют общие черты с эмбриональными стволовыми клетками человека». Природа . 448 (7150): 196–9. Bibcode : 2007Natur.448..196T . DOI : 10,1038 / природа05972 . PMID 17597760 . 
  13. ^ a b Вастенхау Н.Л., Шир А.Ф. (июнь 2012 г.). «Модификации двухвалентных гистонов в раннем эмбриогенезе» . Текущее мнение в клеточной биологии . 24 (3): 374–86. DOI : 10.1016 / j.ceb.2012.03.009 . PMC 3372573 . PMID 22513113 .  
  14. ^ a b c Бернштейн Б.Е., Миккельсен Т.С., Се Х, Камаль М., Хьюберт Д.Д., Кафф Дж. и др. (Апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках». Cell . 125 (2): 315–26. CiteSeerX 10.1.1.328.9641 . DOI : 10.1016 / j.cell.2006.02.041 . PMID 16630819 .  
  15. ^ Вэй С, Ли С, Инь З, Вэнь Дж, Мэн Х, Сюэ Л, Ван Дж (2018). «Метилирование гистонов в репарации ДНК и клинической практике: новые открытия за последние 5 лет» . Журнал рака . 9 (12): 2072–2081. DOI : 10,7150 / jca.23427 . PMC 6010677 . PMID 29937925 .  
  16. ^ Peña PV, Hom RA, Hung T, Lin H, Kuo AJ, Wong RP и др. (Июль 2008 г.). «Связывание гистона H3K4me3 необходимо для репарации ДНК и апоптотической активности опухолевого супрессора ING1» . Журнал молекулярной биологии . 380 (2): 303–12. DOI : 10.1016 / j.jmb.2008.04.061 . PMC 2576750 . PMID 18533182 .  
  17. ^ Гонг Р, Т Clouaire, Aguirrebengoa М, Legube G, Миллер КМ (июль 2017 г.). «Гистоновая деметилаза KDM5A регулирует ремоделер хроматина ZMYND8-NuRD, способствуя репарации ДНК» . Журнал клеточной биологии . 216 (7): 1959–1974. DOI : 10,1083 / jcb.201611135 . PMC 5496618 . PMID 28572115 .  
  18. ^ Jenuwein T, Allis CD (август 2001). «Перевод гистонового кода» . Наука . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . DOI : 10.1126 / science.1063127 . PMID 11498575 .  
  19. ^ Birney Е, Stamatoyannopoulos JA , Датта А, Гиго R, Gingeras TR, Маргулис ЕН, и др. (Консорциум проекта ENCODE) (июнь 2007 г.). «Идентификация и анализ функциональных элементов в 1% генома человека в рамках пилотного проекта ENCODE» . Природа . 447 (7146): 799–816. Bibcode : 2007Natur.447..799B . DOI : 10,1038 / природа05874 . PMC 2212820 . PMID 17571346 .  
  20. ^ Филион ГДж, ван Bemmel Ю.Г., Брауншвейг U, Talhout Вт, Тип J, Уорд Л. Д., и др. (Октябрь 2010 г.). «Систематическое картирование расположения белков выявляет пять основных типов хроматина в клетках дрозофилы» . Cell . 143 (2): 212–24. DOI : 10.1016 / j.cell.2010.09.009 . PMC 3119929 . PMID 20888037 .  
  21. ^ Рой С., Эрнст Дж, Харченко П.В., Херадпур П., Негре Н., Итон М.Л. и др. (Консорциум modENCODE) (декабрь 2010 г.). «Идентификация функциональных элементов и регуляторных цепей с помощью Drosophila modENCODE» . Наука . 330 (6012): 1787–97. Bibcode : 2010Sci ... 330.1787R . DOI : 10.1126 / science.1198374 . PMC 3192495 . PMID 21177974 .  
  22. ^ Харченко П.В., Алексеенко А.А., Шварц Ю.Б., Минода А., Риддл NC, Эрнст Дж и др. (Март 2011 г.). «Комплексный анализ ландшафта хроматина у Drosophila melanogaster» . Природа . 471 (7339): 480–5. Bibcode : 2011Natur.471..480K . DOI : 10,1038 / природа09725 . PMC 3109908 . PMID 21179089 .  
  23. ^ Kundaje А, Meuleman Вт, Эрнст Дж, Биленького М, йены А, Херави-Мусави А, и др. (Консорциум Roadmap Epigenomics) (февраль 2015 г.). «Интегративный анализ 111 эталонных эпигеномов человека» . Природа . 518 (7539): 317–30. Bibcode : 2015Natur.518..317. . DOI : 10,1038 / природа14248 . PMC 4530010 . PMID 25693563 .  
  24. ^ «Целочисленное IP-секвенирование хроматина (ChIP-Seq)» (PDF) . Иллюмина . Проверено 23 октября 2019 года .
  25. ^ "MAINE-Seq / Mnase-Seq" . иллюмина . Проверено 23 октября 2019 года .
  26. ^ Buenrostro JD, Wu B, Chang ГИ, Greenleaf WJ (январь 2015). «ATAC-seq: метод определения доступности хроматина в масштабе всего генома» . Текущие протоколы в молекулярной биологии . 109 : 21.29.1-21.29.9. DOI : 10.1002 / 0471142727.mb2129s109 . ISBN 9780471142720. PMC  4374986 . PMID  25559105 .
  27. ^ ЗсЬер А.Н., Buenrostro JD, Denny SK, Schwartz K, G Шерлок, Greenleaf WJ (ноябрь 2015). «Структурированные отпечатки пальцев нуклеосом позволяют с высоким разрешением картировать архитектуру хроматина в регуляторных областях» . Геномные исследования . 25 (11): 1757–70. DOI : 10.1101 / gr.192294.115 . PMC 4617971 . PMID 26314830 .  
  28. ↑ Song L, Crawford GE (февраль 2010 г.). «DNase-seq: метод высокого разрешения для картирования активных регуляторных элементов гена в геноме из клеток млекопитающих» . Протоколы Колд-Спринг-Харбор . 2010 (2): pdb.prot5384. DOI : 10,1101 / pdb.prot5384 . PMC 3627383 . PMID 20150147 .