武汉大学wunan University第4讲表观遗传学组蛋白其它类型修饰4、4
第4讲 表观遗传学 4、组蛋白其它类型修饰
武汉大学wunan University(1)组蛋白泛素化组蛋白翻译后修饰的乙酰化、甲基化和磷酸化都是小化学基团翻译后的修饰，而泛素（ubiquitin）和泛素相关蛋白SUMO（smallubiquitinmediatedmodifier/protein）则是较大的多肽。泛素是由76个氨基酸残基组成的一种高度保守的蛋白质SUMO是97个氨基酸残基组成的一种小分子类泛素介导蛋白，它们的修饰可将组蛋白增大约三分之二蛋白质泛素化（ubiquitinoylation，Ub）是多种酶共同参与的级联酶促反应过程。染色质核心组蛋白泛素化修饰多属于单泛素化修饰，参与基因表达的染色质调控和DNA复制等过程。组蛋白H2AK119Ub和H2BK123Ub的单泛素化分别对基因转录起抑制作用和激活作用
（1）组蛋白泛素化 组蛋白翻译后修饰的乙酰化、甲基化和磷酸化都是小化学基团翻译 后的修饰，而泛素（ubiquitin）和泛素相关蛋白SUMO（small ubiquitinmediated modifier / protein）则是较大的多肽。 泛素是由76个氨基酸残基组成的一种高度保守的蛋白质 SUMO是97个氨基酸残基组成的一种小分子类泛素介导蛋白，它们 的修饰可将组蛋白增大约三分之二。 蛋白质泛素化（ubiquitinoylation, Ub）是多种酶共同参与的级联酶 促反应过程。 染色质核心组蛋白泛素化修饰多属于单泛素化修饰，参与基因表达的 染色质调控和DNA复制等过程。组蛋白H2AK119Ub和H2BK123Ub的单 泛素化分别对基因转录起抑制作用和激活作用
武汉大学wunan University其作用机制一般认为：①组蛋白泛素化修饰改变了染色质结构使DNA暴露而激活转录：②组蛋白泛素化修饰可以作为募集其它转录因子的信号激活或抑制转录：③组蛋白泛素化修饰通过影响其它类型的共价修饰而调节基因转录转录抑制转录激活Ub组蛋白H2BH2AK119的泛素化和K123组蛋白H2AK119转录抑制相关。H2BH4H4H2AH2BK123泛素化则相H3H3反，与转录激活有关
其作用机制一般认为： ①组蛋白泛素化修饰改变了染色质结构使DNA暴露而激活转录； ②组蛋白泛素化修饰可以作为募集其它转录因子的信号激活或抑制转录； ③组蛋白泛素化修饰通过影响其它类型的共价修饰而调节基因转录。 H2AK119的泛素化和 转录抑制相关。 H2BK123泛素化则相 反，与转录激活有关
武汉大学wunan University(2）组蛋白苏素化组蛋白苏素化（sumoylation，SUMO）在序列上与泛素有18%相同而且具有相同的三维结构，同样可以共价结合目的蛋白特定的赖氨酸残基。Sumo化是一种抑制性的HPTM，只是Sumo化不促进蛋白质降解而是通过改变蛋白质功能而发挥作用，参与转录因子在细胞内定位，转录活性和异染色质结构的调节等。Sumo化机制与组蛋白泛素化Ub相似。SUMO修饰促进了基因组完整性和稳定性，并参与基因转录调控，但其主要作用是抑制基因转录，其作用机制可能是：①SUMO化直接封闭组蛋白上的赖氨酸位点，而该位点既可能被乙酰化又可能被SUMO化；②SUMO化的组蛋白进一步募集HDACS和HP1，从而介导基因沉默
（2）组蛋白苏素化 组蛋白苏素化（sumoylation, SUMO）在序列上与泛素有18%相同， 而且具有相同的三维结构，同样可以共价结合目的蛋白特定的赖氨酸残 基。Sumo化是一种抑制性的HPTM，只是Sumo化不促进蛋白质降解， 而是通过改变蛋白质功能而发挥作用，参与转录因子在细胞内定位，转 录活性和异染色质结构的调节等。Sumo化机制与组蛋白泛素化Ub相似。 SUMO修饰促进了基因组完整性和稳定性，并参与基因转录调控，但其 主要作用是抑制基因转录，其作用机制可能是： ①SUMO化直接封闭组蛋白上的赖氨酸位点，而该位点既可能被乙酰化 又可能被SUMO化； ②SUMO化的组蛋白进一步募集HDACs和HP1，从而介导基因沉默
武汉大学wunanUniversity(3)组蛋白生物素化组蛋白生物素化（biotinylation，bio）修饰是通过生物素酰胺酶(biotinidase)或羧化全酶合成酶(holocar催化，利用生物胞素boxylase synthetase)(biocytin, -N-生物素酰-L-赖氨酸）作为底物、四种核心组蛋白都可以(biotin)而被生物素化修饰，其生物学功共价结合生物素能是参与细胞增殖、基因沉默和DNA损伤修复等过程
（3）组蛋白生物素化 组蛋白生物素化（biotinylation，bio）修饰是通过生物 素酰胺酶（biotinidase）或羧化全酶合成酶（holocar - boxylase synthetase）催化，利用生物胞素（biocytin, ε- N-生物素酰-L-赖氨酸）作为底物、四种核心组蛋白都可以 共价结合生物素（biotin）而被生物素化修饰，其生物学功 能是参与细胞增殖、基因沉默和DNA损伤修复等过程
武汉大学wunan University七、非编码RNA与表观遗传调控对RNA基因结构与功能研究揭示了RNA对染色质高级结构的影响和对基因表达的阻遏现象的本质认识，并为表观遗传学开展了一个薪新的RNA层次的调控作用。基因组中普遍存在的非编码RNA对转录后的mRNA的调控作用日益受到关注主要涉及：①基因转录水平表达调控：如染色质重塑，DNA甲基化和核心组蛋白共价修饰等：②基因转录后水平的调控：如ncRNA，包括RNAi和miRNA等
七、非编码RNA与表观遗传调控 对RNA基因结构与功能研究揭示了RNA对染色质高级结构的 影响和对基因表达的阻遏现象的本质认识，并为表观遗传学开 展了一个崭新的RNA层次的调控作用。基因组中普遍存在的非 编码RNA对转录后的mRNA的调控作用日益受到关注。 主要涉及 ： ①基因转录水平表达调控：如染色质重塑，DNA甲基化和 核心组蛋白共价修饰等； ②基因转录后水平的调控：如ncRNA，包括RNAi和miRNA等
武汉大学wunan University1、非编码RNA人类基因组：3×109bp，其中93%的DNA序列转录生成RNA只有约2%的DNA序列最终编码生成蛋白质在人类基因组转录序列中绝大多数为非编码转录物即除了mRNA、tRNA、rRNA和核仁小RNA（snoRNA）外的所有不编码蛋白质的RNA一一统称为ncRNA（non-codingRNA）。ncRNA主要来源于转录基因间序列和内含子序列。2、ncRNA的种类与功能ncRNAs可以分为：（1）持家非编码RNA(House-keepingnon-codingRNA）。持家ncRNA包含核糖体RNA(rRNA）、转移RNA(tRNA）核小RNA(SnRNA）和核仁小RNA(SnoRNA）等，它们具有组成型表达
1、非编码RNA 人类基因组：3×109bp, 其中93%的DNA序列转录生成RNA， 只有约2%的DNA序列最终编码生成蛋白质 在人类基因组转录序列中绝大多数为非编码转录物 即除了mRNA、tRNA、rRNA和核仁小RNA（snoRNA）外的所有 不编码蛋白质的RNA——统称为ncRNA（non-coding RNA）。 ncRNA主要来源于转录基因间序列和内含子序列。 2、ncRNA的种类与功能 ncRNAs可以分为：（1）持家非编码RNA(House-keeping noncoding RNA) 。 持家ncRNA包含核糖体RNA(rRNA)、转移RNA(tRNA)、 核小RNA(snRNA)和核仁小RNA(snoRNA)等，它们具有组成型表达
武汉大学Wunan University(2）调控非编码RNA(regulatorynon-codingRNA)：包含短链非编码ncRNA和长链非编码ncRNA（Longnon-codingRNAIncRNA)短链调节ncRNA一般长度在21-31nt，包括miRNA（microRNA）siRNA（small interferingRNA)、piRNA(piwi-interactingRNA)等。一般IncRNA长度大于2OOnt，可分为同义IncRNA、反义IncRNA，内含子IncRNA等。还存在一部分的链长度在50至500nt之间的中链非编码RNA调控基因表达的非编码RNA类型与功能见下表：
（2）调控非编码RNA(regulatory non-coding RNA)：包含短链非编码 ncRNA和长链非编码ncRNA (Long non-coding RNA, lncRNA)。 短链调节ncRNA一般长度在21-31 nt，包括miRNA（microRNA）、 siRNA（small interfering RNA）、piRNA（piwi-interacting RNA） 等。 一般lncRNA长度大于200 nt，可分为同义lncRNA、反义lncRNA、 内含子lncRNA等。还存在一部分的链长度在50至500nt之间的中链非编 码RNA 调控基因表达的非编码RNA类型与功能见下表：
表15-1调控基因表达的非编码RNA类型与功能武汉英文简称英文全称结构特点来源与位置主要作用与功能wunmiRNAmircoRNA基因间区域、外显抑制或降解mRNA、参与组19~25nt蛋白修饰，转录后沉默子或内含子区域endo-endogenous由内源假基因、转抑制或降解靶mRNA、抑制smallSiRNA座子的转录产物转座子的活性、参与组蛋白的21~23ntinterfering之间形成的双链修饰、与异染色质的形成有关RNA结构剪接生成PIWI-着丝粒和端粒周抑制转座子的活性、维持生殖piRNAinteracting围的转座子或者细胞和干细胞的功能、调节端24~32ntRNA重复序列区域粒复合物和维持端粒长度PRNApromoterIRNA基因启动子调节IRNA基因常染色质和150~250nt区域RNA异染色质之间的平衡competitive含miRNA假基因、结构基因竞争性地与miRNA结合、屏ceRNA区域识别元件结蔽miRNAendogenous构RNAcircRNAcircular单链环状外显子区域、基因与miRNA结合，调节miRNARNA间隔区域的作用small内含子区域介导IRNA的2-O-甲基化修SHORNA60~200nt存在保守序饰、引导rRNA特殊位置的尿nucleolarRNA列元件苷向假尿苷转换IncRNAlong基因间区域，外显X染色体沉默、激活邻近基因大于200ntnon-coding子或内含子区域的表达、促进特定基因的沉默RNANAT与有功能的结构基因区域natural调节同源基因表达、正义链完全antisensepre-mRNA的剪接或部分互补transcript改自杨福兰等《生命的化学》，2014,34（1）：119-125
武汉大学wunan University3、反义RNA(antisenceRNA,asRNA)asRNA是可与靶mRNA互补的单链RNA（singlestrandedRNA，ssRNA）。一般情况下DNA双链只有一条链转录RNA，另一条链不转录，在DNA修复中起作用，但有时这条备份链也能转录出asRNA。不仅在细菌和植物中能产生asRNA，而高等哺乳动物中如人类基因组中至少近2OOO个基因具有与其匹配的asRNA。这些asRNA与其相应mRNA结合抑制基因活性表达
3、反义RNA（antisence RNA, asRNA） asRNA是可与靶mRNA互补的单链RNA（singlestranded RNA, ssRNA）。一般情况下DNA双链只有一条 链转录RNA，另一条链不转录，在DNA修复中起作用，但 有时这条备份链也能转录出asRNA。不仅在细菌和植物中能 产生asRNA，而高等哺乳动物中如人类基因组中至少近2 000个基因具有与其匹配的asRNA。这些asRNA与其相应 mRNA结合抑制基因活性表达