组蛋白修饰与dna甲基化关系全文翻译

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综述review翻译：王宜成+有道词典LinkingDNAmethylationandhistonemodification:patternsandparadigms连接DNA甲基化和组蛋白修饰：模式和范例摘要：DNA甲基化与组蛋白修饰参与建立发育过程中基因抑制的模式。某些形式的组蛋白甲基化引起局部异染色质的形成,这是可逆的,而DNA甲基化导致稳定的长期抑制。目前这是很明显的：DNA甲基化和组蛋白修饰途径可以互相依赖。这一作用通过SET域中DNA甲基转移酶与组蛋白甲基转移酶的生化作用调节。DNA甲基化和组蛋白修饰之间的关系影响着对正常生长的以及体细胞重构和肿瘤发生的理解。尽管现在普遍认为染色质结构对调控基因表达产生很大的影响,但很少有人知道如何设置表观遗传标记,然后通过DNA复制优化和细胞分裂来维持它。化学修饰的DNA或染色质相关的蛋白质,尤其是组蛋白,主要影响染色质结构和基因的表达。在动物细胞中,DNA可以被CpG二核苷酸中胞嘧啶残基的甲基化修饰,组蛋白N端尾巴受制于不同修饰,包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化。所有的这些化学改变似乎对染色质结构与基因功能有着实质影响，这取决于修饰的位置和类型。在本文中，我们利用最新的基因，生化和基因芯片的研究证据，探究DNA甲基化和组蛋白修饰的关系，尤其关注组蛋白H3在赖氨酸H3K9和H3K27的甲基化，因为这是基因抑制的重要修饰。尽管 DNA甲基化和组蛋白修饰由不同的化学反应和不同酶系发生。似乎在机体中扮演调节基因抑制角色的两个系统间存在着某种生物关系，我们描绘了哺乳动物生长中DNA甲基化与特殊的组蛋白修饰间的相互关系。该关系在两个方向皆起作用:组蛋白修饰有助于决定DNA甲基化的模式，DNA甲基化可能作为DNA复制之后的某些组蛋白修饰的模板。目前的证据说明：在分子层面，这些联系直接通过组蛋白与DNA甲基转移酶直接作用。随后我们讨论组蛋白修饰与DNA甲基化如何在基因沉默中发挥不同的作用，随着组蛋白修饰提供了不稳定的转录抑制以及DNA甲基化成为高度稳定的基因沉默的不可轻易逆转的标记。理解这两种修饰的关系有助于解释表观阻止抑制了细胞的重构和癌症中基因抑制的机理。Generatingmodificationpatterns修饰发生的模式两种DNA甲基化体系：动物基因基本的甲基化模式有两种，几乎所有的CPG二核苷酸都是甲基化的，除了那些位于CPG岛的，它们很大程度组成不发生改变。DNA甲基化在胚胎初期被清除并且在移植时期独立重新构建。通过两种反作用机制不同的甲基化被建立：随机的重甲基化以及确保CpG岛不被修饰的机制。CpG如何被精确地保护并未被阐明。早期试验用了转基因小鼠和胚胎干细胞的转染实验显示了该保护由位于CpG岛的一般顺式作用序列识别决定，并且被主动脱甲基作用所调节。目前的研究显示早期的DNA甲基化可能是通过组蛋白修饰调节的。根据这个例子：穿过基因的H3K4甲基化模式可能在DNA重甲基化之前的胚胎中形成。H3K4的甲基化可能决定的RNA聚合酶II的序列所决定，这使得特异的甲基转移酶得到补偿，胚胎早期RNA聚合酶在CgP岛，因为只有这些区域被标记了H3K4me，然而剩下的基因组结合了含未变的H3K4的核小体。重甲基化通过DNA甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B和DNMT3L复合物催化发生，一个联系密切的同系物缺少甲基转移酶活性。 DNMT3L通过约束核小体中组蛋白H3补偿了DNA甲基转移酶。DNMT3L和核小体之间的联系被H3K4所有形式的甲基化抑制。结果胚胎前期的甲基化在基因组CpG多数位点发生。由于H3K4me的存在，可能会在CpG岛被阻止。这个例子始终伴随着发现在DNA甲基化与不同细胞类型中的H3K4me之间存在的强烈不关联。Targeteddenovomethylationinearlydevelopment.早期发育中靶向的重甲基化一旦DNA甲基化基础双峰模式在胚胎移植期被建立，这一属性使得发育中的外源靶向改变受到限制，包括重甲基化和脱甲基化。早期发育时的重大改变就是靶向抑制以及基因的重甲基化，这是保留全能性的必要条件。比如Oct3/4，这一抑制发生在原肠胚胎形成时期，这时胚胎开始分离进入胚叶，伴随着多功能态能力的丢失。使用胚胎干细胞作为模型系统，我们得知Oct3/4在多级过程中经历了失活，第一阶段，转录直接被带有Oct3/4启动子的阻遏物关闭，这时随后的依赖性转录因子复合物，包含了组蛋白甲基转移酶G9a和具有脱乙酰酶活性的酶系，该复合物调节着组蛋白脱乙酰作用，与转录抑制相关，脱乙酰作用重置了赖氨酸残基，这样G9a可以催化H3k9的甲基化，这一修饰确保了蛋白异染色质蛋白1(HP1)局部异染色质的形成。在沉默的最后阶段，G9a包含复合体也补充了DNMT3A 和DNMT3B，在启动子区催化了DNA的重甲基化。这一系列步骤，被G9a包含复合体调控，似乎对植入后基因失活起决定性的作用，通过这一路径许多其他决定性基因也受到了抑制。DNA重甲基化与组蛋白修饰如何在早期发育中相互作用的另一个例子，是着丝粒卫星重复的异染色质化，在这些卫星序列，是SET域包含的对三甲基交联和异染色化负责的组蛋白甲基转移酶SUV39H1和SUV39H2。这些蛋白也需要补充DNMT3A和DNMT3B为了在卫星序列中甲基化CpG位点，有趣的是这一异染色质化进程似乎由被识别在卫星序列自然形成的RNA双链体的调控机制发起。这使得RNA诱导沉默复合体（RISC）特别定位在有SUV39H1和SUV39H2的区域，这是在异染色质路径中最重要的部分，确实，非编码RNA会在其他的基因失活补充组蛋白甲基化酶中发挥作用，例如在X染色体失活的印记基因座。全能性相关的基因沉默和卫星序列的例子阐明了组蛋白修饰和DNA甲基化在胚胎早期是如何发生相互合作关系的，在动物细胞的研究中表明了组蛋白修饰和DNA甲基化有密切联系，这些被遗传操作实验有力地证明了。在Neurosporacrassa，Arabidopsisthaliana和动物细胞中的研究说明了由SET域某些组蛋白修饰引起了在特殊的基因组区域的DNA甲基化的减少。相反地在动物细胞DNA的随机区域的组蛋白甲基转移酶G9a的共享，似乎引起了附近序列的组蛋白修饰和DNA甲基化。EffectofDNAmethylationonhistonemodification.DNA甲基化对组蛋白修饰的作用 这个例子上文已经说过，组蛋白修饰对构建DNA甲基化模式发挥了作用，但也有证据证明通过细胞分化DNA甲基化对维持组蛋白修饰模式也是十分重要的。在胚胎的甲基化属性在全能性的胚胎被建立之后，需要酶来抑制对刺激的反应，接下来分化，细胞渐渐地失去识别和保护CpG岛与甲基化的能力，尽管如此，DNA甲基化模式在移植期产生通过与复制复合物相关的DNMT1的作用在整个发育中被保留，现在的研究表明：DNMT1和E3泛素化蛋白连接酶UHRF1共同特异性的识别处于DNA复制和甲基化相反地链时期产生的半甲基化的DNA中的甲基化的CpG残基。因此在母细胞中存在着甲基化属性的准确遗传拷贝。不管构建转录模式中的染色质结构的重要性，在复制叉在DNA中进行时，染色质结构可能被破坏，所以在复制发生时再生染色质结构的机制是需要的，而DNA甲基化的模式可能成为最主要的标记，被用于细胞分裂之后的基因组后生阶段的重建。拥有甲基化属性的区域在相似结构中被重新召集，然而未甲基化的DNA趋向于在开放的结构中重新装配，使用Chip（染色质免疫共沉淀）手段，证明了那些未甲基化的DNA被大量装配在包含乙酰化的组蛋白的核小体上，和开放的核染色质相关。然而在装配了乙酰化的组蛋白H3和H4的核小体的相同DNA上，存在着甲基团，导致了更多的结构紧凑的核染色质。DNA甲基化和组蛋白修饰间的关系部分通过带有甲基胞嘧啶的蛋白调控。比如MECP2和MBD2，能够对甲基化的区域引入 组蛋白去乙酰化酶。很可能DNA甲基化也指导着二甲基化作用，这是抑制的核染色质标记，也许通过G9a和带有复制复合体的DNMT1的相互作用，也有证据证明DNA甲基化抑制了H3K4的甲基化，在植物中排出核小体中的组蛋白变体H2AZ，这些标记都和主动转录相关。然而最根本的机制目前还不清楚。因此，DNA甲基化属性似乎是在发育中建立的，可能在细胞分裂中的许多基因序列中扮演了维持转录的抑制模式的角色。Interrelationshipsthroughenzymeinteractions.酶作用的相互关系生化实验和基因的处理结合，显示DNA与组蛋白甲基化的联系是产生在酶相互作用的层面上的。在G9a的例子中，组蛋白甲基转移酶和DNA甲基转移酶的联系似乎通过不同的结构域产生。结果，通过在SET结构域的基因点突变可以排除没有DNA甲基化影响的H3K9甲基化的情况。这说明DNA甲基化并不时刻依赖着组蛋白甲基化，而似乎G9a酶负责DNMT3A和DNMT3B。生化方面的研究说明，这一物理作用通过G9a锚蛋白结构域产生。类似的，生化研究分析了DNA甲基转移酶通过与组蛋白甲基转移酶EZH2结合，通过独立于SET结构域的复责H3K27甲基化的结构域，处在着丝点周围异染色质的SUV39H1的DNA甲基化调控，或者通过SETDB1，也可能包含了这些组蛋白甲基转移酶和DNMT3A和DNMT3B的直接作用。在A.Thaliana中也发现了组蛋白甲基转移酶 SUVH4的相似作用，除了这些SET结构域蛋白外，可能HP1也有能力补充甲基转移酶蛋白，这可能是异染色质区甲基化的辅助的机制。而HP1似乎是在N.Crassa中DNA甲基化的基本组成。在这部分讨论的例子总结了目前支持组蛋白修饰和DNA甲基化的双向作用的概念的大体证据。在许多例子中似乎都说明这一作用发生在蛋白质效应的层面，而不是通过修饰他们自己。在下一部分我们将讨论DNA甲基化和组蛋白修饰的关系是如何影响大量的生物状况的基因沉默的。Paradigmsofrepression抑制的范例长期抑制在生物体生长发育的基因表达属性谱中发挥重要作用。通过基因组看DNA甲基化和组蛋白修饰，发现在长期抑制中存在大量的不同的分子策略。此外不同形式的后生的标记也发挥着不同的生物学作用。在早期发育许多区域接受被重甲基化的结构相似的核染色质，通过在每次细胞分裂中维持在DNA甲基化和核染色质的结构。这是个总体的进程，包围这基因组的大部分，包括许多重复序列和转座子，在更高级的生物中似乎是独一无二的。许多这些区域包含的基因都能够在特别的细胞周期被激活，包含着目的基因的识别和和染色质结构的改变以及DNA甲基化的消除。 另一个基因沉默的策略是大量结合了附近目的基因的蛋白复合体通过酶的组合和结构变化引起了抑制，导致了核染色质的局部关闭，这主要是通过组蛋白修饰。比如包含NRSF的复合体，能识别要在神经元细胞中表达的特殊的DNA序列附近的基因，和PRC2，对大量基因的抑制在生长中发挥关键作用。这些例子里，抑制可以在多细胞分裂中被保持，因为复合体是结构性的存在，可以在DNA复制之后很容易地再次结合目标序列。虽然不完全存在于全部范围内，但每个复合体可以识别多个基因区域，因此代表了抑制一系列基因的一般机制，这种抑制形式可能在DNA去甲基化阶段显得尤为重要，比如原核细胞和植入前的胚胎。PolycombtargetsandDNAmethylation.Polycomb靶向和DNA甲基化Polycomb我们第一个例子说明了DNA甲基化和组蛋白调控是如何获得基因沉默的。在抑制机制方面包括了局部异染色质化：SET域的甲基转移酶EZH2，作为PRC2复合体的一部分，在核小体周围催化H3K27的三甲基化，这些甲基作为异染色质类似的染色质蛋白PC的登陆位置，和作为PRC1复合体的一部分的附加的染色质结构修饰相关联。其中主要的一个特性是Polycomb诱导的抑制是很可逆的。几乎所有的Polycomb靶向的基因都在胚胎干细胞用抑制的H3K27me3修饰和激活的H3K4me3修饰标记。这种称为二价修饰模式预示着基因被迫进入激活或者不激活的状态。所以被这种机制维持的基因沉默容易在分化时被激活，并且基因在积极构像也很容易进入被抑制的状态。Polycomb复合体靶向基因一般与GpG岛的激活子相关，在移植时期从重甲基化开始被保护。因此绝大部分EZH2 靶向基因在发育中保留着未甲基化的结构性。尽管如此，大量的这些基因可能在某些情况下成为DNA重甲基化的靶基因。在胚胎干细胞分化成神经前体细胞，许多基因序列经历了重甲基化，它们大部分是被Polycomb复合体最初标记的，此外，一些其他基因在后期发生甲基化，这些位点也被Polycomb蛋白当做目标识别。虽然额外的DNA甲基化作为附加层的意义并不清楚，可能Polycomb扮演了调节DNA甲基化作用的角色，可能被EZH2调控，实验证明它和DNMT3A与DNMT3B是可以相互作用的。然而，其他因素也必须涉及触发细胞周期的特殊重甲基化。XinactivationX染色体失活在雌性哺乳动物细胞的X染色体失活是理解长期抑制的DNA甲基化的很好的例子。沿着随意的选择，在发育早期，每个细胞的一个X染色体都经历过全区域的失活。最初这些核染色质的结构改变是限制可接近的DNA以保护蛋白因子，这对于染色质的所以靶基因沉默是充分的。许多这些序列在植入后期都经历了重甲基化。但清楚的是，这些是在X染色体基因沉默之后发生的。尽管实际上DNA甲基化发挥着从属作用，通过长期稳定性，它可能提供另一水平的抑制。当DNA没有甲基化时发生X染色体失活，比如在袋鼠或者一些哺乳动物胚胎组织中，在不活跃的X染色体上的基因缓慢地再生成全能子代。这是和哺乳动物的体细胞作对比的，这里的再活化非常罕见。添加甲基化的DNA发现会使得胚胎病毒序列发生不可逆的抑制。Pluripotencygenes.全能性基因 组蛋白甲基化的作用，和DNA甲基化相反，在抑制稳定性上被全能基因阐明，通过几个步骤经历了抑制。在第一步，阻遏物分子被分化诱因诱导和启动子区基因结合并关闭了转录，这种抑制形式在最初诱导物被移除之后完全是可逆的。在第二步，一个G9a复合物在H3K9局部甲基化之后和乙酰化的组蛋白协调，从而得到了局部的异染色体，这些在核染色质结构的改变提供了比单独抑制更稳定的抑制新层次，这显示在甚至在原始分化因子移除之后仍然能够拥有阻止基因再激活的能力。虽然它被自身异染色质化，却不意味着对于重排会成为充分的屏障：全能基因的分化细胞能够被在适当生长条件下暴露他们转回胚胎表型的单独组蛋白修饰所沉默。失活进程的最后一步：这些经历DNA甲基化的关键基因的激活子，通过G9a复合体被调控。一旦发生，没有人为改变细胞中的关键因子，重排几乎是不可能的。这个例子关注了基因沉默的不同形式发展潜力的差异，重灵活易变基于阻遏物的机制到高度稳定的失活，这是被DNA甲基化所维持的。Somaticcellreprogramming体细胞重构DNA甲基化和组蛋白修饰的关系，在很多生理情况上被讨论，也和理解体细胞如何重构成多功能状态有关--诱导全能干细胞的形成。当关闭了维持全能性的基因，协调方式，体细胞至全能细胞的重构被期望通过逆过程而发生，结合了去除标记脱甲基的DNA的抑制的组蛋白。 诱导是体细胞重构的一个方法，通过外源引导的转录因子结合。当这些转录因子被引入，体细胞经历了内生全能性基因从抑制状态到激活构象缓慢转变的步进式进程，在此系统内，重构似乎通过逆转失活而发生，随着早期组蛋白修饰发生的改变和脱甲基作用在重构途径延迟发生。尽管IPS细胞是被与全能化相关外源的蛋白因子初始化的，这些外生物仅仅瞬时被需要来触发关键基因的重新设置的本真的程序，已经显示G9a的抑制，DNA内含物或者组蛋白脱甲基剂，刺激重新编程甚至可以减少一些最初因子的需求。这也许会起作用，因为G9a对DNA和组蛋白甲基化起作用，G9a的敲除刺激了被体细胞融合胚胎干细胞环境而诱发的重新编程。需要知道的是正常的重新编程发生在原始干细胞形成时期，或者包含了异染色质去除和脱甲基作用胚胎的受精后的早期。DNAmethylationincancer癌症中的DNA甲基化 理解了DNA甲基化和某些组蛋白修饰的关系有助于理解癌症中观察到的异常基因表达的模式。许多研究发现癌症受制于不正常的重甲基化，最新研究证明这一进程与组蛋白修饰相关，集中在单个基因激活子的早期试验指出癌症相关的DNA甲基化被肿瘤抑制基因限制，这些发现上升被到理论：这些甲基化一定通过某种选择而产生。早期研究指出一些癌症高度表达甲基转移酶，这会引起基因组CpG岛随机重甲基化，一个基于该证据的模式证明肿瘤抑制基因的重甲基化可能会抑制他们的功能使细胞大量增殖，因此通过甲基化肿瘤抑制激活子为细胞提供了选择性的优势。这一模型可以预测增长的选择可能会导致重甲基化的特殊模式。随着在全基因组规模评价DNA甲基化的基因芯片技术的出现，这使得不取样来衡量癌症所有甲基化模式成为了可能。这些研究说明大量CpG岛可在肿瘤初期发生重甲基化。许多甲基化发生在基因激活子并不是肿瘤的抑制子。转化前的正常组织中这些基因绝大部分被抑制。这清楚的显示了肿瘤中重甲基化属性没有作为选择结果被形成，当然，重甲基化的精确位置被预定程序的靶向机制决定。的确，一些研究显示大部分的CpG岛的重甲基化是Polycomb蛋白结合的目标位点。因此在正常细胞这些基因座都可能被通过SET域的蛋白EZH2的PRC2所限制.虽然这些CpG岛在正常生长中保留着大量的未被甲基化的区域，一些触发子似乎导致它们在癌症中经历重甲基化，这可能被EZH2与DNA甲基转移酶相互作用所调控。该模型说明了，相似的方式发生在正常生长发育中，组蛋白甲基转移酶和癌症中的重甲基化相关，一个可能是EZH2全部水平的改变，DNMT3A和DNMT3B导致了Polycomb靶基因位点的平衡改变，这可能通过微小RNA分子调控。 有趣的是，在癌症中发生重甲基化的众多基因在Polycomb标记的肿瘤细胞中减少，似乎DNA甲基化部分取代了先前被组蛋白修饰调控的的异染色质化，DNA甲基化可能被DNMT1（DNA甲基转移酶）维持，甚至通过原始因子，被已经移除的重甲基化触发。几乎所有这些基因都即在正常组织又在肿瘤细胞系中结构性抑制。DNA甲基化如何影响癌症中的这些基因并不完全清楚，也许这些改变阻止了分化相关的基因激活或者长期的稳定性，导致了在基因编程的灵活性的降低。虽然这个现象在肿瘤细胞中被发现，但这一类似的后生的转化也在正常的细胞中印记基因座中被观察到。Futuredirections未来的方向本文中我们总结了已知的组蛋白修饰和DNA甲基化的关系，虽然这些修饰在基因表达调控中都发挥着自己的作用，但是仍然可以清楚在在它们之间建立联系，这些已经存在的甲基原子团在可能被甲基结合的蛋白质调控的进程中，可以在覆盖核小体上影响组蛋白修饰。相反地，这些组蛋白甲基化标记形式的存在可以和底层DNA甲基化相关联，这些联系可能被SET域蛋白甲基转移酶和DNA甲基转移酶而相互作用。虽然目前研究说明组蛋白精氨酸甲基化可以直接补充DMNT3A。不同种类修饰的相互作用可以调节这些突出的表观现象，这和生长中基因表达规律的许多方面有关。仍然有许多方面的机理细节需要被阐明，比如虽然知道了DNA中甲基团的存在影响了核染色质的组装，但不知道DNA甲基化模式是如何被翻译成正确的组蛋白修饰属性的，虽然甲基结合蛋白可能在调节组蛋白乙酰化发挥很大的作用，但是这些与H3K4和H3K9DNA的甲基调节的甲基化组蛋白DNA相关的蛋白还没有被阐明。这些对理解DNA甲基化如何作用于核染色质结构的变化十分重要。另外，组蛋白和DNA甲基化可能也被间接作用联系。 影响DNA重甲基化的组蛋白甲基化模式是如何形成的仍然未解之谜，尽管我们引用了大量的SET域的组蛋白甲基转移酶的例子证明它能够和DNA甲基转移酶作用，需要注意的是H3K9和H3K27组蛋白甲基转移酶的存在并不总是引导DNA重甲基化，这说明在位点特异地触发DNMT3分子补充需要额外的因子，最后经历DNA甲基化。这在癌症中非常明显，大量的Polycomb靶基因被重甲基化，即使这些位点在正常细胞中完全不被甲基化。在本文中，我们强调了在生长中，DNA甲基化和组蛋白甲基化是如何共同诱导并维持基因的抑制的，我们讨论了已被阐明一般的分子的路径，但是在基因激活进程中这些修饰如何被移除依然不清楚。既在组织特异性激活中也在全能性重组中，此事件连续发生，似乎组蛋白脱甲基和伴随的组蛋白乙酰化在基本DNA脱甲基之前发生。这一最初的变化可能通过被识别特殊基因序列的因子定向的组蛋白脱甲基发生，并随着局部脱甲基作用，理解这组蛋白和DNA的两个脱甲基作用是有趣的，它们是在分子水平被协调的。虽然组蛋白脱甲基生化机理已经被解释了，但仍然不清楚甲基团是如何从DNA上被移去的，只是知道这是可以以主动方式发生的。一些研究显示活跃的DNA脱甲基化通过与核苷酸交换相关的DNA修复完成。用未甲基化的胞嘧啶取代5’端的甲基化的胞嘧啶，这是正常生命活动中可能的生理学机制。 长期抑制的重要方面是通过许多细胞分裂维持局部基因沉默的能力，实际上维持沉默对许多核染色质结构的性能被DNA综合进程破坏的这一事实是尤其重要的，而且在接下来的每一轮复制中都要被重建。DNA甲基化有被维持的自主机制，在这一进程中清除的发挥作用。在基因组未甲基化区的抑制状态，比如那些被Polycomb复合体定向的基因，可能通过能补充使其甲基化的H3K27（作为异染色质化登陆位置的标记）的DNA序列，维持着异染色质的独特结构。在该领域的关键问题是是否组蛋白修饰可以作为接下来复制的新合并的核小体上的相同结构的自主复制的模板。虽然最近有一项研究表明可能是这样，但仍需要更多的工作去阐明表观遗传的问题的原理。DNA和组蛋白相互关系的研究有助于关注表观遗传调控是如何被协调的，和正常细胞中发挥的作用。早期胚胎形成和配子发育时以全基因组的表观结构改变为特点的，在配子发育时期，所有的DNA脱甲基都在新核染色质结构形成前被初始化，在植入胚胎的一轮重甲基化也似乎作为独立事件发生。对比这些总体的效应，在发育阶段后期的表观改变的靶向的DNA区域似乎发生在相反地区域，在DNA甲基化改变之前的组蛋白修饰的改变，不管这是否包含基因抑制或者激活。我们主张，总体改变并不发生在生长初期，这些结果必须被识别特异性序列的因子首先决定，加上DNA甲基化的从属作用，最终保证了其长期稳定性。