2.基因调控机制——染色质的功能微信公众号：生信小知识
关注可了解更多的生物信息学教程及知识。问题或建议，请公众号留言;
目录
前言0. 摘要1. 常染色质和异染色质2. 核小体3. 开放和关闭状态下染色质的组蛋白修饰4. 组蛋白修饰的基因组效应5. 染色质的层级结构6. 健康和疾病状态下表观信号的作用后记 前言之前说了要给大家推荐一本书，并说了会把读书笔记记录下来分享给大家： 0.基因调控机制——书籍介绍 现在就开始了！ 下面是之前已经写完的笔记，有需要的自取查阅： 1.基因调控机制——什么是基因表达 0. 摘要为了方便，大家经常把DNA看作是一个线性的结构，然而对于二倍体的人类而言，基因组长度约为2*3,260,000,000bp，如果拉成一条线，则长约2m，这相当于正常细胞直径的200,000倍！将这么长的DNA包装在一个小小的细胞中，主要通过： 将DNA缠绕在核小体上 将核小体组成纤维状 形成染色质环
而一个细胞中通过一系列非组蛋白（例如：酶），调控细胞中约30,000,000个核小体的状态，从而决定了细胞中基因的开放性。这是决定一个基因是否表达的关键一步。 DNA缠绕核小体的松紧程度以及转录后组蛋白尾巴的修饰，是对于调控染色质紧密程度的关键所在。另外，由TF、pol Ⅱ以及其他非组蛋白组成的蛋白复合物决定了染色质的三级结构，这也是染色质的功能单位。 在这章内容中，我们将讨论常染色质和异染色质间的差异以及两者之间的转换，我们将以核小体为单位理解并讨论各种组蛋白修饰的作用和属性。这章内容将会为后面章节内容打下坚实的基础： histone code (Chap. 8) epigenome (Chaps. 9 and 10) chromatin remodeling (Chap. 11) nuclear architecture (Chap. 12)
1. 常染色质和异染色质细胞的有丝分裂分为分裂间期（包括G1，S和G2）和分裂期（前期，中期，后期，末期）。在分裂间期中，通过染色技术，我们将中心较浅的区域称为常染色质，而其外围较暗的聚集体称为异染色质
异染色质出现在DNA重复片段区域或者有silencers的区域，这些区域可以被加上一定的修饰，从而可以被一些抑制性的蛋白结合，例如HP1。 异染色质长度可以超过10-100kb，这些异染色质分布在细胞核的外围，并富含有抑制性的蛋白，例如多梳家族蛋白 根据异染色质是否可以转变为常染色质，可以将异染色质进一步分类：
只有处于常染色质区域的基因才可以转录表达。 染色质的两种状态结构示意图：
过去染色质被认为只是一种压缩DNA的结构，但是近些年的研究证明染色质的开放性在调控基因表达上具有重要作用。这种调控作用涉及到核小体和转录因子在基因组上某些特定区域的竞争性结合：
2. 核小体核小体是染色质最基础的单位结构。对于一个二倍体人类而言，每个二倍体细胞中，大概有30,000,000个核小体。 核小体由DNA和H1、H2A、H2B、H3和H4等5种组蛋白构成。其蛋白结构如下所示：
核小体虽然只有5种组蛋白，但是却有超过100个基因用来编码这些组蛋白，并且每种组蛋白有多种突变体（variants）。
核小体的一般特征：（1）分子量小，只有约11-15kD（2）碱性氨基酸赖氨酸（K）和精氨酸（R）含量高，特别是在它们的氨基末端 每种组蛋白有多种突变体，其中对于linker组蛋白H1而言有8种，剩下的4种蛋白每个有4种。最常见的突变体有：
H2A.Z：在建立平衡或激活 Pol II 启动子方面发挥作用。此外，这种突变体对于早期发育、染色体稳定性和着丝粒功能至关重要。 MacroH2A：这是一种脊椎动物特异性的突变体。它存在于几种表现不同功能的剪接变体中。这种组蛋白突变体在哺乳动物失活的X染色体上富集。 H2A.Bbd：在睾丸和大脑中表达的人类特异性突变体。 H2A.X：在双链DNA断裂位点上，该突变的羧基末端motif被磷酸化 H3.3：参与基因激活以及异染色质形成 CENPA：该突变是H3组蛋白的一种，它对于着丝粒的组装十分重要
两分子的H2A、H2B、H3和H4形成一个组蛋白八聚体，147bp的DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结构外面1.75圈（缠绕核小体一圈DNA长度为80bp）形成了一个核小体的核心颗粒。使DNA弯曲缠绕核小体的力量来自多方面，可以包括但是不局限于以下几种：
注意：poly(dA:dT) 区域则不容易发生弯曲
3. 开放和关闭状态下染色质的组蛋白修饰最常发生的组蛋白修饰有：
| 乙酰化修饰 | 甲基化修饰 | 磷酸化修饰 |
|---|
| 赖氨酸（lysines，K） | √ | √ |
| | 精氨酸（arginines，R） |
| √ |
| | 丝氨酸（serines，S） |
|
| √ | | 苏氨酸（threonines，T） |
|
| √ |
组蛋白修饰的命名法则：
标注组蛋白名字，例如H3 氨基酸残基的简写（例如K表示赖氨酸）及在组蛋白中的位置 修饰类型，例如ac: acetyl, me: methyl, P: phosphate, Ub: ubiquitin 修饰的数目，目前仅有甲基化修饰可以出现超过1次，1、2、3次分别用mono-, di, tri-methylation表示
实例：H3K27me3 H3组蛋白上第27个赖氨酸残基（第27位氨基酸不一定是赖氨酸）有3个甲基化修饰
我们以经典的H3K4的乙酰化修饰进行讲述修饰的过程：
这种由于共价修饰而引起的电荷改变，对于染色质开放状态的影响重要
常见的激活型修饰和抑制性修饰：
激活型修饰：H3和H4的乙酰化修饰，H3K4的甲基化修饰 抑制性修饰：H3K9，H3K27，H4K20的mono-, di, tri-methylation
在调节染色质可及性上，不仅仅是组蛋白修饰酶会发挥作用，这里还涉及到其他作用的酶，例如染色质重塑相关酶等。下面一个简单的例子清晰讲解整个过程：
当HAT酶活性更强时，组蛋白被乙酰化，于是核小体（包含组蛋白）所携带正电荷减少，和携带负电荷的基因组DNA之间的吸引力减弱，这使得TF、TFⅡD、pol Ⅱ等蛋白可以接触到基因组DNA。这时，染色质重塑酶（例如：SWI/SNF）则会微调核小体之间的距离，从而暴露出足够的空间给上述蛋白。 当HDAC酶活性更强时，组蛋白上已有的乙酰化基团被去除，于是核小体（包含组蛋白）所携带的正电荷增多，和基因组DNA之间吸引力增强，这使得染色质变得更加紧密。然后在组蛋白甲基转移酶（histone methyltransferase，HMT）的作用下，在组蛋白残基上添加了甲基化修饰，从而吸引了异染色质蛋白，如HP1结合在组蛋白上，稳定了组蛋白的异染色质状态。
4. 组蛋白修饰的基因组效应虽然全基因组上来看，核小体的组织结构没有太大改变，但是在特定类型细胞中，核小体的位置、组成、占有率、组蛋白修饰等却与其他细胞类型不同。 根据ENCODE计划对人类多种细胞进行详细的比较，得出了一个结论：一些组蛋白修饰与激活转录的蛋白结合（例如：H3K4me3和H3K36me3），而与此对应的，一些组蛋白修饰与抑制转录的蛋白结合（例如：H3K9me3和H3K27me3），还有其他某些组蛋白修饰与增强子结合。这些修饰的意义并非无规律可寻。
TSS下游第一个核小体调控这个位点的可及性，从而影响Pol Ⅱ进入转录的elongation阶段。此外，TSS下游第一个核小体还可以调控转录机器结合到TATA box位点的能力
5. 染色质的层级结构基因在细胞分裂间期中，在细胞核中的位置对于其基因的表达有重要作用，那么基因在细胞核中的位置对于基因表达来说是否是一个独立且重要的功能单位呢？ 在激活的基因上，一些区域富集有H3K4me3，H3K36me3，H4K20me1，H2K5me1等修饰，并且这些区域在空间三维环境下距离非常接近，在Pol Ⅱ附近聚集成群，这被认为是转录工厂（ transcription factories）的标志，他们多分布在细胞核的中心区。相比之下，由核纤层蛋白组成的核骨架（贴近核内层膜）则与异染色质相结合，这些区域有H3K9的甲基化修饰。此外，研究证明大块H3K27me3抑制性区域则出现在已分化的细胞中，而在干细胞中的数量则相对少，这些区域构成了多梳蛋白家族。
一般来说，在哺乳动物中，至少有5层染色质结构调控基因开启或关闭状态：
level 1：DNA的甲基化状态，甲基化后一般对应基因表达的关闭 level 2：核小体的组装，异染色质多为关闭状态，而常染色质则为开放状态 level 3：组蛋白的修饰，常见开放状态的修饰有K4me3，K9Ac；而常见关闭状态的修饰有K9Me3、K27Me3等 level 4：DNA上对于转录因子结合的可及性，TF可以结合到DNA上多提示开放状态，而结合受限则多提示关闭状态 level 5：染色质的相对位置及转录工厂的形成，一般激活状态的基因多分布在细胞核中心区，而关闭的基因则多分布于细胞核外围
6. 健康和疾病状态下表观信号的作用iPSCs细胞和ESCs细胞主要的差异在于：抑制性染色质的区域。ESCs细胞通常缺乏抑制性染色质修饰，并且染色质重塑子的活性比iPS Cs细胞更强。 肿瘤细胞的染色质状态同样也发生了重编程，一些针对染色质修饰的药物可以促进疾病的预后，例如HDACs抑制剂（西达本胺【爱谱沙】），DNMT抑制剂（地西他宾）等 甚至人类的寿命与组蛋白乙酰化和甲基化的特定状态有关，因为一类称为“sirtuins”的HDACs可促进基因沉默和长寿。 表观遗传信号在疾病中经常受到干扰，对于它们最有效的治疗方法，应该对其进行足够详细的了解。现在我们对表观遗传信号的理解包含三个主要成分：
表观启动子（epigenetic initiator）：主要是细胞外信号，例如生长因子、激素或其他信号分子，它启动信号的级联转导。 表观效应子（epigenetic effector）：这是级联信号传导的最后一站，通常是转录因子、co-factors或染色质修饰子。 表观维持子（epigenetic maintainers）：主要是表观修饰markers，例如组蛋白修饰或者DNA甲基化修饰等
后记第2章的内容不算多，但是非常重要，也让我学到了很多有趣的知识，大家如果想收获更多，当然还是推荐大家自己去阅读原书啦！ 书籍下载信息可以去看我之前的推荐：0.基因调控机制——书籍介绍
|
