H3K4me3
H3K4me3 представляет собой эпигенетическую модификацию белка-упаковщика ДНК гистона H3 , которая указывает на триметилирование 4-го остатка лизина белка гистона H3 и часто участвует в регуляции экспрессии генов . [1] Название обозначает добавление трех метильных групп ( триметилирование ) к лизину 4 белка 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. Триметилирование H3K4 регулирует экспрессию генов посредством ремоделирования хроматина комплексом NURF . [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, принося гистоновые ацетилазы и ферменты ремоделирования нуклеосом (NURF). [3] H3K4me3 также играет важную роль в генетической регуляции стволовых клеток активности и происхождения . [4] Это связано с тем, что эта модификация гистонов обнаруживается больше в областях ДНК, которые связаны с развитием и установлением идентичности клеток. [5]
Номенклатура
[ редактировать ]H3K4me3 указывает на триметилирование лизина : 4 на субъединице белка гистона H3
| Сокр. | Значение |
| Н3 | Семейство гистонов H3 |
| К | стандартное сокращение для лизина |
| 4 | положение аминокислотного остатка (считая от N-конца ) |
| мне | метильная группа |
| 3 | количество добавленных метильных групп |
Метилирование лизина
[ редактировать ]
На этой диаграмме показано прогрессивное метилирование остатка лизина. Триметилирование (справа) обозначает метилирование, присутствующее в H3K4me3.
Модификация H3K4me3 создается лизин-специфичной гистон-метилтрансферазой (HMT), переносящей три метильные группы на гистон H3. [6] H3K4me3 метилируется комплексами метилтрансферазы, содержащими белок WDR5 , который содержит WD40 повторяющийся белковый мотив . [7] WDR5 специфически связывается с диметилированным H3K4 и обеспечивает дальнейшее метилирование с помощью метилтрансфераз, что позволяет создавать и считывать модификацию H3K4me3. [8] Было показано, что активность WDR5 необходима для генов развития, таких как гены Hox , которые регулируются метилированием гистонов. [7]
Эпигенетический маркер
[ редактировать ]H3K4me3 — широко используемая модификация гистонов. H3K4me3 — одна из наименее распространенных модификаций гистонов; однако он сильно обогащен активными промоторами вблизи сайтов начала транскрипции (TSS). [9] и положительно коррелирует с транскрипцией. H3K4me3 используется в качестве кода гистонов или метки гистонов в эпигенетических исследованиях (обычно идентифицируемых посредством иммунопреципитации хроматина ) для идентификации активных промоторов генов .
H3K4me3 способствует активации генов посредством действия комплекса NURF, белкового комплекса, который действует через белковый мотив PHD, ремоделируя хроматин. [2] Это делает ДНК в хроматине доступной для факторов транскрипции , позволяя генам транскрибироваться и экспрессироваться в клетке.
Понимание модификаций гистонов
[ редактировать ]Геномная ДНК эукариотических клеток обернута вокруг специальных белковых молекул, известных как гистоны . Комплексы, образующиеся в результате закольцовывания 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 коровые гистоны богаты остатками лизина и аргинина. Карбоксильный (С)-конец этих гистонов способствует взаимодействиям гистонов-гистонов, а также взаимодействиям гистонов с ДНК. Заряженные амино-(N)-концевые хвосты являются местом посттрансляционных модификаций, таких как та, которая наблюдается в H3K4me1. [10] [11]
Роль в стволовых клетках и эмбриогенезе
[ редактировать ]Регуляция экспрессии генов посредством H3K4me3 играет значительную роль в определении судьбы стволовых клеток и раннем развитии эмбриона. Плюрипотентные клетки имеют отличительные закономерности метилирования, которые можно идентифицировать с помощью ChIP-seq . Это важно для разработки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток . Способ обнаружения индикаторов успешной индукции плюрипотентности заключается в сравнении эпигенетического паттерна с паттерном эмбриональных стволовых клеток . [12]
В двухвалентном хроматине H3K4me3 локализован совместно с репрессивной модификацией H3K27me3 для контроля регуляции генов. [13] H3K4me3 в эмбриональных клетках является частью бивалентной системы хроматина, в которой одновременно маркируются участки ДНК, активирующие и репрессирующие метилирование гистонов. [13] Считается, что это обеспечивает гибкую систему экспрессии генов, в которой гены в первую очередь репрессируются, но могут экспрессироваться быстро благодаря H3K4me3 по мере развития клетки. [4] Эти области имеют тенденцию совпадать с генами факторов транскрипции, экспрессируемыми на низких уровнях. [4] Некоторые из этих факторов, такие как Hox-гены , необходимы для контроля развития и клеточной дифференцировки во время эмбриогенеза . [2] [4]
восстановление ДНК
[ редактировать ]H3K4me3 присутствует в местах двухцепочечных разрывов ДНК, где он способствует восстановлению по пути негомологичного соединения концов . [14] Предполагается, что связывание H3K4me3 необходимо для функционирования таких генов, как ингибитор белка роста 1 (ING1) , которые действуют как супрессоры опухолей и запускают механизмы репарации ДНК. [15]
Когда происходит повреждение ДНК, передача сигналов о повреждении ДНК и восстановление начинаются в результате модификации гистонов в хроматине. Механистически деметилирование H3K4me3 используется для специфического связывания белка и привлечения к повреждению ДНК. [16]
Эпигенетические последствия
[ редактировать ]Посттрансляционная модификация хвостов гистонов либо с помощью комплексов, модифицирующих гистоны, либо комплексов, ремоделирующих хроматин, интерпретируется клеткой и приводит к сложному комбинаторному транскрипционному результату. Считается, что код гистонов диктует экспрессию генов посредством сложного взаимодействия между гистонами в определенной области. [17] Текущее понимание и интерпретация гистонов основано на двух крупномасштабных проектах: ENCODE и Epigenomic Roadmap. [18] Целью эпигеномного исследования было изучение эпигенетических изменений по всему геному. Это привело к состояниям хроматина, которые определяют геномные области путем группировки взаимодействий различных белков и/или модификаций гистонов вместе.Состояние хроматина исследовали в клетках дрозофилы путем изучения места связывания белков в геноме. Использование ChIP-секвенирования позволило выявить участки генома, характеризующиеся различной полосообразностью. [19] У дрозофилы также были профилированы различные стадии развития, акцент был сделан на актуальности модификаций гистонов. [20] Анализ полученных данных привел к определению состояний хроматина на основе модификаций гистонов. [21] Были картированы определенные модификации, и было замечено, что обогащение локализуется в определенных геномных регионах. Было обнаружено пять основных модификаций гистонов, каждая из которых связана с различными функциями клетки.
- H3K4me1 -праймированные энхансеры
- H3K4me3-промоутеры
- H3K36me3 - тела гена
- H3K27me3 — полисотовая репрессия
- H3K9me3 -гетерохроматин
Геном человека был аннотирован состояниями хроматина. Эти аннотированные состояния можно использовать как новые способы аннотирования генома независимо от базовой последовательности генома. Эта независимость от последовательности ДНК подтверждает эпигенетическую природу 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 генов, специфичных для клеток. [22]
Методы
[ редактировать ]Гистоновую метку H3K4me3 можно обнаружить разными способами:
1. Секвенирование иммунопреципитации хроматина ( ChIP-секвенирование ) измеряет количество обогащенной ДНК после того, как она связалась с целевым белком и подверглась иммунопреципитации . Это приводит к хорошей оптимизации и используется in vivo для выявления связывания ДНК с белками, происходящего в клетках. ChIP-Seq можно использовать для идентификации и количественной оценки различных фрагментов ДНК для различных модификаций гистонов в геномной области. [23]
2. Секвенирование микрококковой нуклеазы ( MNase-seq ) используется для исследования областей, которые связаны хорошо расположенными нуклеосомами. Для определения положения нуклеосом используют фермент микрококковой нуклеазы. Видно, что хорошо расположенные нуклеосомы имеют обогащение последовательностей. [24]
3. Анализ секвенирования доступного транспозазы хроматина ( ATAC-seq ) используется для поиска областей, свободных от нуклеосом (открытый хроматин). Он использует гиперактивный транспозон Tn5 для выделения локализации нуклеосом. [25] [26] [27]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Симс Р.Дж., Нисиока К., Рейнберг Д. (ноябрь 2003 г.). «Метилирование лизина гистонов: признак функции хроматина». Тенденции в генетике . 19 (11): 629–39. дои : 10.1016/j.tig.2003.09.007 . ПМИД 14585615 .
- ^ Перейти обратно: а б с Высоцка Дж., Свигут Т., Сяо Х., Милн Т.А., Квон С.Ю., Лэндри Дж. и др. (июль 2006 г.). «Палец PHD NURF соединяет триметилирование лизина 4 гистона H3 с ремоделированием хроматина». Природа . 442 (7098): 86–90. Бибкод : 2006Natur.442...86W . дои : 10.1038/nature04815 . ПМИД 16728976 . S2CID 4389087 .
- ^ Сантос-Роза Х., Шнайдер Р., Бернштейн Б.Е., Карабецу Н., Мориллон А., Вайзе С. и др. (ноябрь 2003 г.). «Метилирование гистона H3 K4 опосредует ассоциацию АТФазы Isw1p с хроматином» . Молекулярная клетка . 12 (5): 1325–32. дои : 10.1016/s1097-2765(03)00438-6 . ПМИД 14636589 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Бернштейн Б.Е., Миккельсен Т.С., Се X, Камаль М., Хьюберт Д.Д., Кафф Дж. и др. (апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках». Клетка . 125 (2): 315–26. CiteSeerX 10.1.1.328.9641 . дои : 10.1016/j.cell.2006.02.041 . ПМИД 16630819 . S2CID 9993008 .
- ^ Бернштейн Б.Е., Миккельсен Т.С., Се X, Камаль М., Хьюберт Д.Д., Кафф Дж. и др. (апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках» . Клетка . 125 (2): 315–26. дои : 10.1016/j.cell.2006.02.041 . ПМИД 16630819 .
- ^ Райс Дж.К., Бриггс С.Д., Юберхайде Б., Барбер С.М., Шабановиц Дж., Хант Д.Ф. и др. (декабрь 2003 г.). «Гистоновые метилтрансферазы управляют различной степенью метилирования для определения различных доменов хроматина» . Молекулярная клетка . 12 (6): 1591–8. дои : 10.1016/s1097-2765(03)00479-9 . ПМИД 14690610 .
- ^ Перейти обратно: а б Высоцка Дж., Свигут Т., Милн Т.А., Доу Ю., Чжан Х., Бурлингейм А.Л. и др. (июнь 2005 г.). «WDR5 связывается с гистоном H3, метилированным по K4, и необходим для метилирования H3 K4 и развития позвоночных» . Клетка . 121 (6): 859–72. дои : 10.1016/j.cell.2005.03.036 . ПМИД 15960974 .
- ^ Рутенбург А.Дж., Ван В., Грейбош Д.М., Ли Х, Эллис CD, Патель DJ, Вердин Г.Л. (август 2006 г.). «Распознавание и презентация гистона H3 модулем WDR5 комплекса MLL1» . Структурная и молекулярная биология природы . 13 (8): 704–12. дои : 10.1038/nsmb1119 . ПМЦ 4698793 . ПМИД 16829959 .
- ^ Лян Г., Линь Дж.К., Вэй В., Ю С., Ченг Дж.К., Нгуен К.Т. и др. (май 2004 г.). «Четкая локализация ацетилирования гистонов H3 и метилирования H3-K4 в сайтах начала транскрипции в геноме человека» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (19): 7357–62. Бибкод : 2004PNAS..101.7357L . дои : 10.1073/pnas.0401866101 . ПМК 409923 . ПМИД 15123803 .
- ^ Рутенбург А.Дж., Ли Х., Патель DJ, Allis CD (декабрь 2007 г.). «Многовалентное взаимодействие модификаций хроматина с помощью связанных связывающих модулей» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 8 (12): 983–94. дои : 10.1038/nrm2298 . ПМЦ 4690530 . ПМИД 18037899 .
- ^ Кузаридес Т (февраль 2007 г.). «Модификации хроматина и их функции» . Клетка . 128 (4): 693–705. дои : 10.1016/j.cell.2007.02.005 . ПМИД 17320507 .
- ^ Тесар П.Дж., Ченовет Дж.Г., Брук Ф.А., Дэвис Т.Дж., Эванс Э.П., Мак Д.Л. и др. (июль 2007 г.). «Новые клеточные линии из эпибласта мыши имеют общие черты с эмбриональными стволовыми клетками человека». Природа . 448 (7150): 196–9. Бибкод : 2007Natur.448..196T . дои : 10.1038/nature05972 . ПМИД 17597760 . S2CID 4430584 .
- ^ Перейти обратно: а б Вастенхау, Н.Л., Шир, А.Ф. (июнь 2012 г.). «Модификации двухвалентных гистонов в раннем эмбриогенезе» . Современное мнение в области клеточной биологии . 24 (3): 374–86. дои : 10.1016/j.ceb.2012.03.009 . ПМЦ 3372573 . ПМИД 22513113 .
- ^ Вэй С., Ли С., Инь Цз., Вэнь Дж., Мэн Х., Сюэ Л., Ван Дж. (2018). «Метилирование гистонов в репарации ДНК и клиническая практика: новые открытия за последние 5 лет» . Журнал рака . 9 (12): 2072–2081. дои : 10.7150/jca.23427 . ПМК 6010677 . ПМИД 29937925 .
- ^ Пенья П.В., Хом Р.А., Хунг Т., Лин Х., Куо А.Дж., Вонг Р.П. и др. (июль 2008 г.). «Связывание гистона H3K4me3 необходимо для восстановления ДНК и апоптотической активности опухолевого супрессора ING1» . Журнал молекулярной биологии . 380 (2): 303–12. дои : 10.1016/j.jmb.2008.04.061 . ПМК 2576750 . ПМИД 18533182 .
- ^ Гонг Ф., Клуэр Т., Агирребенгоа М., Легубе Дж., Миллер К.М. (июль 2017 г.). «Гистондеметилаза KDM5A регулирует ремоделирование хроматина ZMYND8-NuRD, способствуя восстановлению ДНК» . Журнал клеточной биологии . 216 (7): 1959–1974. дои : 10.1083/jcb.201611135 . ПМЦ 5496618 . ПМИД 28572115 .
- ^ Дженувейн Т., Эллис, компакт-диск (август 2001 г.). «Перевод гистонового кода». Наука . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . дои : 10.1126/science.1063127 . ПМИД 11498575 . S2CID 1883924 .
- ^ Бирни Э., Стаматояннопулос Х.А. , Дутта А., Гиго Р., Гингерас Т.Р., Маргулис Э.Х. 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. Бибкод : 2007Natur.447..799B . дои : 10.1038/nature05874 . ПМК 2212820 . ПМИД 17571346 .
- ^ Филион Г.Дж., ван Беммель Дж.Г., Брауншвейг Ю., Талхаут В., Кинд Дж., Уорд Л.Д. и др. (октябрь 2010 г.). «Систематическое картирование расположения белков выявило пять основных типов хроматина в клетках дрозофилы» . Клетка . 143 (2): 212–24. дои : 10.1016/j.cell.2010.09.009 . ПМЦ 3119929 . ПМИД 20888037 .
- ^ 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 modENCODE дрозофилы» . Наука . 330 (6012): 1787–97. Бибкод : 2010Sci...330.1787R . дои : 10.1126/science.1198374 . ПМК 3192495 . ПМИД 21177974 .
- ^ Харченко П.В., Алексеенко А.А., Шварц Ю.Б., Минода А., Риддл Н.С., Эрнст Дж. и др. (март 2011 г.). «Комплексный анализ хроматинового ландшафта Drosophila melanogaster» . Природа . 471 (7339): 480–5. Бибкод : 2011Natur.471..480K . дои : 10.1038/nature09725 . ПМК 3109908 . ПМИД 21179089 .
- ^ Кундаже А., Меулеман В., Эрнст Дж., Биленки М., Йен А., Херави-Мусави А. и др. (Консорциум по эпигеномике «Дорожная карта») (февраль 2015 г.). «Интегративный анализ 111 эталонных эпигеномов человека» . Природа . 518 (7539): 317–30. Бибкод : 2015Natur.518..317. . дои : 10.1038/nature14248 . ПМК 4530010 . ПМИД 25693563 .
- ^ «Полногеномное IP-секвенирование хроматина (ChIP-Seq)» (PDF) . Иллюмина . Проверено 23 октября 2019 г.
- ^ «МЭН-Seq/Mnase-Seq» . иллюмина . Проверено 23 октября 2019 г.
- ^ Буэнростро Дж.Д., Ву Б., Чанг Х.И., Гринлиф У.Дж. (январь 2015 г.). «ATAC-seq: метод анализа доступности хроматина по всему геному» . Современные протоколы молекулярной биологии . 109 : 21.29.1–21.29.9. дои : 10.1002/0471142727.mb2129s109 . ISBN 9780471142720 . ПМЦ 4374986 . ПМИД 25559105 .
- ^ Шеп А.Н., Буэнростро Дж.Д., Денни С.К., Шварц К., Шерлок Дж., Гринлиф У.Дж. (ноябрь 2015 г.). «Структурированные нуклеосомные отпечатки пальцев позволяют картировать архитектуру хроматина в регуляторных регионах с высоким разрешением» . Геномные исследования . 25 (11): 1757–70. дои : 10.1101/гр.192294.115 . ПМК 4617971 . ПМИД 26314830 .
- ^ Сонг Л., Кроуфорд Дж. Э. (февраль 2010 г.). «DNase-seq: метод высокого разрешения для картирования активных генных регуляторных элементов по всему геному клеток млекопитающих» . Протоколы Колд-Спринг-Харбора . 2010 (2): pdb.prot5384. дои : 10.1101/pdb.prot5384 . ПМЦ 3627383 . ПМИД 20150147 .