表觀遺傳學

發布日期:2016-10-14 18:12:03

內容

介紹

不是活生物體的所有特性可通過他們的基因來解釋:除主DNA序列的其他因素是重要的。表觀遺傳學,信息比所述DNA序列本身其他細胞分裂過程中可遺傳的,是相當大的電流感興趣的主題。

在多細胞生物體,除了配子所有細胞(生殖細胞)具有相同的遺傳內容,但也可以執行非常不同的功能。被接通(和表達)的基因-在身體的不同部位的細胞中活性的基因的數目不同。未在一個特定的小區所需要的基因被關閉(靜音顯影期間)。表觀遺傳學,不遺傳學,不同類型的在生物體的細胞之間辨別。具體表觀遺傳標記決定特定基因是否被表達。

染色質的修改(蛋白質和基因組DNA的排列緊密配合物)是負責基因表達的外遺傳調節。就像基因的變化,當一個細胞分裂表觀遺傳變化將被保留。一個細胞的表觀基因是細胞的整體表觀遺傳狀態。

表觀遺傳的分子基礎:DNA修飾和組蛋白修飾

研究最多的表觀遺傳修飾的DNA是在胞嘧啶堿基的甲基化。胞嘧啶甲基表示的基因沉默:甲基化基因不轉錄。

組蛋白修飾也起到表觀遺傳調控中起重要作用。組蛋白是充當線軸周圍的DNA的風在染色質高堿性蛋白。這個壓實使得該DNA裝配到一個更小的空間會比其他方式。組蛋白具有主要的堿性氨基酸殘基(組氨酸,賴氨酸和精氨酸)組成的長N末端尾巴。在組蛋白尾部的基本側鏈的翻譯后表觀遺傳修飾發生甲基化,乙酰化,磷酸化和泛素化的形式。

DNA的修飾通常對應于長期后生存儲器:一旦甲基化的,基因組DNA仍然通過代甲基。組蛋白修飾,在另一方面,典型地提供短期后生存儲器并且可以幾個細胞分裂周期之后被逆轉。

DNA修飾

DNA甲基化

胞嘧啶到5-甲基胞嘧啶(MC,甲基化圖1)是如此重要,以至于5-甲基胞嘧啶已被描述為在基因組中的“第五堿基”。

表觀遺傳學重要的DNA堿基

圖1 | 表觀遺傳學上重要的DNA堿基胞嘧啶結構(C),5-甲基胞嘧啶(MC),和5-羥甲基(HMC)。

甲基化發生在CpG位點(或CpG二核苷酸,即,接著為G),但CpG島(與CpG二核苷酸的高濃度的短stetches DNA)一般不正常組織甲基化。通常,大多數在基因組中(CpG島以外)的CpG部位的被甲基化。DNA甲基化通過多種機制,包括抑制轉錄因子結合的阻止轉錄。

甲基化不影響胞嘧啶的堿基配對:5-甲基胞嘧啶仍形成沃森 - 克里克堿基對與鳥嘌呤。

DNA甲基化模式的繼承

在甲基化DNA的結果復制半甲基化的DNA,其中在所述子鏈是未甲基化的母體鏈被甲基化。這個半甲基化的DNA的甲基化是必要的,完成甲基化DNA的復制。

DNA甲基化是由DNA甲基轉移酶進行的。至少三個獨立的DNA甲基(轉移酶)參與DNA甲基化。DNA甲基分為兩類:從頭甲基化(DNMT3A和DNMT3B)甲醇未甲基化的DNA,而保養甲基化(DNMT1)甲醇半甲基化的DNA(圖2)。

這兩種類型的DNA甲基化的

圖2 | 這兩種類型的DNA甲基化的從頭甲基化和DNA的維護甲基的示意圖。

半甲基化DNA的甲基化的維護提供了通過幾代人的甲基化模式的繼承機制,使得DNA甲基化穩定的表觀遺傳修飾。

胞嘧啶甲基機制

胞嘧啶的甲基化的一般機制涉及通過輔因子電子攻擊小號 -adenosyl -1-甲硫氨酸(的AdoMet; SAM),它是甲基轉移至C(5)胞嘧啶,并且被轉換為小號 -adenosyl -1-高半胱氨酸(的AdoHcy)的過程中。胞嘧啶的C-(5)原子沒有特別的親核,一些幫助從甲基需要將其激活,并增加其親核性。

胞嘧啶甲基化機制中示出圖3中。DNA甲基含有一個保守的胞嘧啶殘基上脫質子化的硫醇鹽陰離子,充當一個強有力的親核試劑。半胱氨酸硫醇攻擊胞嘧啶的C-(6)原子在一個共軛加成反應,并且在半胱氨酸硫原子和胞嘧啶C(6)原子之間形成的共價鍵。上胞嘧啶的負電荷通過用谷氨酸殘基相互作用穩定。然后親核攻擊呈現的甲基地方小號 -adenosyl -1-蛋氨酸,將其轉化為小號 -adenosyl -1-同型半胱氨酸(的AdoHcy)。最后,β-消除橫跨C(5)-C(6)鍵時,釋放所述酶。

胞嘧啶甲基機制

圖3 | 胞嘧啶甲基化機制在DNA胞嘧啶殘留物,由DNA甲基催化的甲基化機制。

在胞嘧啶的甲基催化的甲基化的機理,需要堿去質子半胱氨酸以形成(更親核)硫醇鹽。所以建議參與這一反應的堿是DNA磷酸基團,通過一個橋連的水分子。因此,DNA的同時充當基材和輔因子(Zangi,2010)。

DNA甲基化基地翻轉的作用

每當一個蛋白質靶向DNA雙鏈中的單個的基礎上,一個機制必須存在使基訪問的酶。用于原核甲基化(和其它DNA修飾酶),晶體結構表明,目標胞嘧啶擺動出完全螺旋的和180°旋轉通過結合到酶(圖4)。據認為,這個基地翻轉機制也被哺乳動物甲基化使用。

DNA甲基化基地翻轉

圖4 | 在DNA甲基化相應翻轉從甲基之間的復合物的晶體結構HHA I和雙鏈DNA(藍色)顯示一臺胞嘧啶堿基(橙色)被翻轉出雙螺旋的,并在酶的活性結合現場。

5-甲基胞嘧啶誘變和DNA修復

當胞嘧啶被突變為尿嘧啶自發脫氨的DNA糖基酶UDG(尿嘧啶DNA糖基化酶)反轉的損害,在堿基切除修復機制。當相當于脫氨反應發生在5-甲基胞嘧啶,然而,該產品,胸腺嘧啶,不是由DNA修復酶修復(和5-甲基胞嘧啶是幅度脫氨比胞嘧啶不太敏感的順序)(圖5)。這樣導致的CpG二核苷酸成為比將統計學預期(除了在CpG島,在沒有甲基化,因此沒有突變為胸腺嘧啶,發生)的基因組中非常罕見。

胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶脫氨

圖5 | 胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶脫氨自發脫氨轉換胞嘧啶為尿嘧啶,而5-甲基胞嘧啶到胸腺嘧啶。尿嘧啶通過DNA修復酶(UDG,一個DNA糖基化酶)轉換回胞嘧啶,但胸腺嘧啶不轉換回5-甲基胞嘧啶。

DNA羥甲基化

如果5-甲基胞嘧啶(MC)是“五基地”在genone 5-羥甲基(HMC)是“六基地”。5-甲基胞嘧啶(MC)向5-羥甲基(HMC)的氧化通過TET酶進行時,2-酮戊二酸加氧家族的成員。它它建議這個羥化5-甲基胞嘧啶可能會在第一步的DNA去甲基化活躍的途徑

DNA去甲基化

的胞嘧啶堿基的甲基化最初被認為是不可逆的,并沒有直接的DNA脫甲基酶已被鑒定; 但DNA去甲基化是目前已知的是一個重要的過程。

DNA去甲基化是必要的沉默基因的激活,和在胚胎發育過程中“清潔的基因組石板'(這允許胚胎干細胞分化成任何細胞)。

被動DNA去甲基化

很容易設想DNA去甲基化可能如何跨代發生,通過DNA復制過程中的甲基化的信息的損失。缺乏維修甲基下列DNA復制將導致全球去甲基化的DNA。

維護的DNA methyltransferas DNMT1不能識別5-羥甲基,因此對于更具體的被動甲基一個可能途徑用5-甲基氧化成5-羥甲基開始。5-羥甲基具有相同堿基配對化學為胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶,所以它會被復制到胞嘧啶; 但不會發生隨后的甲基/羥甲基化。總的結果是去甲基化。

被動去甲基化的胞嘧啶的這些機制都需要DNA的復制。這種依賴的復制途徑是沒有用的,如果下一輪DNA復制之前,需要去甲基化。盡管明顯缺乏一個哺乳動物DNA脫甲基酶,涉及一個途徑活性(復制無關)demethylaton最近被提出。

積極DNA去甲基化

在植物中,活性DNA去甲基化是通過實現堿基切除修復,用的水解開始Ñ 5-甲基胞嘧啶的糖苷鍵由特定DNA糖基化酶。但是,沒有涉及5-甲基胞嘧啶特異性DNA糖基化酶去甲基化途徑已在哺乳動物中鑒定。如果5-甲基胞嘧啶首先轉換成另一種堿,堿切除修復途徑可能是可行的。

以下MC的氧化HMC,進一步氧化成5- formylcytosine(FC),然后5-carboxycytosine(CAC)已觀察到,還通過TET酶催化。這些“第七'和在細胞已被檢測到的”第八'堿基,可能是重要的后生狀態在他們自己的權利。兩個替代機制已經被建議用于5- carboxycytosine至胞嘧啶轉化:5- carboxycytosine的直接脫羧,由身份不明脫羧酶催化; 堿基切除修復,通過由胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)5- carboxycytosine切除啟動。另一途徑已經提出,其中酶催化的胞嘧啶脫氨后跟錯配修復

主動去甲基化的胞嘧啶

圖6 | 活性胞嘧啶脫甲基化方案表示5-甲基胞嘧啶的活性脫甲基化通過iteractive氧化成5-hydroxycytosine,5- formylcytosine和5- carboxycytosine,隨后脫羧/堿基切除修復。吳,張,改編納特。啟分子。細胞生物學, 11,607-620,2010。

組蛋白修飾

雖然組蛋白不聚合酶直接交互,對其進行修改可能影響DNA包裹周圍的道路,從而影響哪些基因被表達。組蛋白修飾是必需的招募輔因子和用于聚合酶結合,并用于維持染色質的穩定性。組蛋白的大部分修飾發生在他們的非結構化的,堿性的N-末端尾巴。重要的組蛋白修飾包括乙酰化(在賴氨酸殘基)和甲基化(在賴氨酸和精氨酸殘基)(圖7)。

重要的表觀遺傳組蛋白修飾結構

圖7 | 重要的表觀遺傳組蛋白修飾結構

組蛋白乙酰化

組蛋白乙酰化是最廣泛研究的后生蛋白質修飾。組蛋白尾巴的具體賴氨酸殘基的乙酰化與基因激活相關。賴氨酸乙酰化,由組蛋白乙酰轉移酶(帽)催化,中和上賴氨酸殘基的正電荷。這種電荷中和被認為是降低組蛋白和DNA之間的親和力,開放獲取DNA的轉錄因子和聚合酶,并因此增強轉錄。

在組蛋白乙酰化,一個交談谷氨酸殘基作為一個一般的基礎上,激活所述賴氨酸ε氨基上乙酰CoA的羰基的親核攻擊。四面體中間形式,然后用折疊輔酶A(CoASH)的損失,一般乙酰基賴氨酸(圖8)。

賴氨酸乙酰化機制

圖8 | 賴氨酸乙酰化機制賴氨酸的乙酰化機制,組蛋白賴氨酸的乙酰基轉移酶催化。乙酰輔酶A,乙酰基的來源,被轉換為輔酶A(CoASH)的反應。

組蛋白脫乙酰

賴氨酸乙酰化是可逆的:脫乙酰化,由組蛋白脫乙酰(HDS或的HDAC)催化抑制了轉錄。乙酰賴氨酸的脫乙酰化涉及的水對乙酰羰基的親核攻擊。水活化的機制是不同的脫乙酰酶不同。有四類組蛋白去乙酰化酶(I-IV),即通過不同的機制催化乙酰基賴氨酸的乙酰:類I,II和IV使用主動上門金屬依賴機制(圖9),而III類的HDAC運行時使用煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD +)依賴性催化機制。

賴氨酸乙酰機制

圖9 | 賴氨酸乙酰化機制,由I類,II和IV組蛋白脫乙酰乙酰基賴氨酸的脫乙酰機制。

組蛋白甲基化

賴氨酸的甲基化調節作用是復雜的:一些賴氨酸殘基的甲基化與轉錄相關聯,而其它賴氨酸甲基化與轉錄抑制有關。

組蛋白賴氨酸殘基在經受甲基化Ñ(ε)原子,由賴氨酸甲基轉移(KMTs)催化。組蛋白賴氨酸甲基轉移催化單,二和賴氨酸的三甲基化(圖10)。

賴氨酸單,二和三甲基

圖10 | 賴氨酸單,二和三甲基化表示單-計劃- ,二-和賴氨酸三甲基。

的甲基的來源是小號 -adenosyl -1-甲硫氨酸(的AdoMet),將其轉化為小號 -adenosyl -1-同型半胱氨酸(的AdoHcy)在反應(圖11)。

賴氨酸甲基機制

圖11 | 賴氨酸甲基化機制賴氨酸甲基化機制由組蛋白甲基化賴氨酸(KMTs)。

組蛋白也可以在精氨酸殘基甲基化。與賴氨酸的甲基化,精氨酸甲基化調節作用是復雜的。

組蛋白去甲基化

與乙酰化賴氨酸甲基是可逆的; 和賴氨酸的脫甲基化,通過賴氨酸去甲基(KDMS)催化,是一個重要的后生過程。

賴氨酸去甲基化酶分為兩大CLASSE:在LSD1 / KDM(賴氨酸去甲基化酶特定)家族和JHDM(十文字組蛋白去甲基)家族。酶的兩種類的機制需要一個氧化反應。由LSD1 / KDM1家族的酶催化的賴氨酸去甲基化的機理在示出圖12

賴氨酸去甲基化機制

圖12 | 賴氨酸甲基化機制賴氨酸去甲基化機制,由LSD1 / KDM1家族的酶來催化。

在癌癥表觀遺傳學

角色表觀遺傳學的發現起著癌癥取得了最近的表觀遺傳學巨大的利益的領域,并了解它導致了新的癌癥治療方法。

表觀遺傳修飾是在健康細胞的發育和功能是至關重要的。在表觀基因改變(例如,在DNA的甲基化模式),從而導致不正確的激活或sigalling途徑的失活,是癌癥的標志。癌癥是長期被視為一種遺傳性疾病,但它已成為明確最近,表觀遺傳的因素也同樣重要。

改變表觀基因在腫瘤細胞中

DNA甲基化

在正常細胞中,DNA甲基化發生在CpG位點,而CpG島保持未甲基化的。在腫瘤細胞中,DNA甲基化在CpG位點的水平普遍較低(低甲基化),而CpG島可以被甲基化(甲基化)。DNA的甲基化導致的基因的異常活化。

組蛋白修飾

具體組蛋白修飾與腫瘤形成有關,包括組蛋白4賴氨酸16(H4K16),由組蛋白脫乙酰酶(HDACs)介導脫乙酰。據認為,這組蛋白脫乙酰導致的腫瘤抑制基因的抑制。癌細胞也顯示在賴氨酸殘基的甲基化模式,包括H3K9和H3K27的變化。

癌癥治療:治療后生

而基因突變是不可逆的,后生修改是,在不同程度上是可逆的。這開辟了逆轉癌細胞表觀遺傳修飾的細胞恢復至其健康狀態的可能性。在癌癥治療后生治療的目標是一種扭曲的表觀恢復到“正常的”表觀基因。

DNA甲基化抑制劑

細胞毒性核苷類似物5-氮雜胞苷(阿扎胞苷)和5-氮雜-2'-脫氧胞苷(地西他濱)最近被批準用于某些類型的癌癥的治療。氮雜胞苷和地西他濱被納入快速增長的腫瘤細胞的DNA復制過程中的DNA,并復制后,抑制甲基化。甲基化的喪失導致的腫瘤抑制基因的活化,抑制腫瘤生長。

阿扎胞苷和地西他濱

圖13 | 阿扎胞苷和地西他濱5-氮雜胞苷(阿扎胞苷)和5-氮雜-2'-脫氧胞苷(地西他濱)的結構,批準用于癌癥治療的DNA甲基化的核苷抑制劑。

可以抑制DNA甲基而不被摻入DNA的非核苷類化合物正在推行,但沒有有效的抑制劑還沒有被發現。

組蛋白去乙酰化酶抑制劑

的組蛋白乙酰化模式的恢復已被證明具有抗腫瘤活性相關,和組蛋白脫乙酰酶(HDAC)抑制劑已經研究為此。辛二酰苯胺氧肟酸(SAHA,伏立諾他; Zolinza),HDAC的一些類的抑制劑,被批準為2006年治療皮膚T細胞淋巴瘤。

辛二酰苯胺異羥肟酸(SAHA;伏立諾他; Zolinza)

圖14 | 辛二酰苯胺氧肟酸(SAHA,伏立諾他; Zolinza) 薩哈)的辛二酰苯胺氧肟酸結構,一種組蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制劑批準在2006年治療皮膚T細胞淋巴瘤。