01什么是组卵白修饰聚色wang
自然的DNA分子很长，尤其是在真核生物中，例如东谈主类的DNA长度为2m（Bloom et al.， 2010）。将如斯盛大的遗传信息放入7μm摆布的细胞核中，就需要将长DNA分子包装成更紧凑、更概括的高度压缩结构。在高中生物课上，咱们知谈这个结构叫作念染色体，染色体是染色质高度螺旋后的形态。染色质的基本构成结构单元是核小体，因此参与核小体安装的组卵白是决定染色质包装进度的迫切身分之一。
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图1 核小体结构。
在先前的推文“判辨表不雅遗传学的器具——ChIP-seq（一）”中小远细心的刻画过核小体的结构和组卵白修饰，在这里带全球再回归一下。肤浅来说，核小体由H2B、H2A、H3、H4四种组卵白（Histone）亚基各两个拷贝形成的八聚体和缠绕在外约146bp的DNA构成（图1）。其中组卵白N端（尾部）的氨基酸残基易受到翻译后修饰（PTM），包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等组卵白修饰（图2）(Kouzarides et al.， 2007)。比年来跟着检测本事的进一步锻真金不怕火，发现组卵白的中间肽段位置以及C端也会被特异性修饰。这些修饰以不同的方式影响染色质的紧密度和可及性，从而影响基因的抒发，最终影响生物各方面的生理和发育进程，是真核生物鼎新基因抒发最迫切的表不雅遗传调控方式之一(Lawrence et al.， 2016)。
由于组卵白修饰的类型宽敞，咱们再回归一下组卵白修饰的刻画顺序：组卵白结构+氨基酸称号+氨基酸位置+修饰类型。例如：H3K4ac代表H3组卵白的第4位赖氨酸的乙酰化；H2AK119ub1代表H2A组卵白的第199位赖氨酸的单泛素化。回归这些常识点大约匡助全球强壮后文中组卵白修饰的具体本体，是以不要嫌伯小远啰嗦哦！
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图2 表示组卵白尾部翻译后修饰的线路图(Lawrence et al.， 2016)。数字表示每个修饰的位置，字母线路每个修饰位点的氨基酸（K=赖氨酸，R=精氨酸，S=丝氨酸，T=苏氨酸）。颜料展示了每个氨基酸残基具体的修饰类型（绿色=甲基化，粉色=乙酰化，绿松石=磷酸化，米色=泛素化）。
02人命科学界的“当红明星”
组卵白修饰是现在人命科学筹议的热门。在pubmed数据库中搜索“Histone modification”可以看到该标的的著作数目逐年加多（图3）。抑制至2023年3月31日，该标的的文件已达663篇。搜索“(Histone modification) AND (plant)”可以看到组卵白修饰在植物限制的筹议文件也不少（图4）。伴跟着高通量测序的发展，对于组卵白修饰在高档植物，稀疏是在迫切农作物上的筹议热度呈握续高潮趋势。组卵白修饰在植物的滋长发育、迫切农艺性状、抗生物威迫、抗非生物威迫等方面得回了一系列迫切的进展(杨涛等， 2022)。对植物的组卵白修饰进行筹议是一个可以的罗致，该筹议对于训诫植物抗性、植物表型形成机制筹议、器官再生和作物改造等方面可以提供一定的表面常识和本事提示(郑月琴等， 2022)。
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图3 从2005-2023年在pubmed数据库中搜索“Histone modification”得到的文件数目。
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图4 从2005-2023年在pubmed数据库中搜索“(Histone modification) AND (plant)”得到的文件数目。
03组卵白修饰与修饰酶
早在20世纪中世，科学家们就启动对组卵白修饰进行分析。1964年Allfrey等东谈主提议了组卵白乙酰化和甲基化修饰水平的升高与基因的转录激活呈正相关的假说。这一假说在尔后的大量筹议中得到了考据，况且还发现了其他类型的组卵白修饰，如拟南芥转录调控中的磷酸化和泛素化(Ueda and Seki， 2020)。组卵白乙酰化和甲基化筹议最为粗豪，被觉得是基因抒发中两种迫切且普遍存在的表不雅遗传调控机制。
组卵白修饰是可逆共价修饰。这种共价修饰的发生、去除以及发达作用又主要通过组卵白修饰酶及相应的辅因子进行调控（图5），包括Writer（写入）、Eraser（擦除）和Reader/Effector（读取）三大类(Liu et al.， 2010)。Writer是催化化学基团添加到组卵白上对其进行修饰的酶，例如：乙酰移动酶（HATs）、甲基移动酶（HMTs）、激酶和泛素酶等。Eraser是从组卵白上去除这些修饰的酶，例如：去乙酰化酶（HDACs）、去甲基化酶（HDMs）、磷酸酶、和去泛素化酶等。Reader是识别特定翻译后修饰的底物并与之特异性结合的卵白质或卵白质复合物。
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图5 Writer、Eraser和Reader/Effector斡旋调控组卵白修饰的水温雅类型(Liu et al.， 2010)。
先容完上头一些基础常识之后，底下小远主要给全球先容常见的四种组卵白修饰、部分修饰位点以及功能例如，另外还会简要先容一些对应的组卵白修饰酶。
3.1 组卵白乙酰化修饰
3.1.1组卵白乙酰化修饰位点和功能
组卵白乙酰化多发生在组卵白H3和H4的N端赖氨酸残基上。组卵白带正电荷，DNA带负电荷，是以组卵白与DNA结合卓越紧密。而组卵白乙酰移动酶将乙酰辅酶A的乙酰基移动到组卵白的赖氨酸残基上，会中庸组卵白的正电荷， 减轻DNA与组卵白的互相作用，从而使DNA更容易与转录因子结合，因此组卵白乙酰化时常与转录激活相关(杨涛等， 2022)。植物部分组卵白乙酰化修饰位点和功能如表1所示，仅供参考。
表1 植物部分组卵白乙酰化修饰位点和功能(郑月琴等， 2022)。
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在医学筹议中筹议的最充分的是H3K27ac，H3K27ac主要位于活跃转录基因的启动子和增强子区域，在这些区域它与H3K4me3共存，整个促进基因激活抒发(Creyghton et al.， 2010) 。此外，H3K27ac还可在基因间区域形成超等增强子，进一步促进基因抒发(Creyghton et al.， 2010) 。
3.1.2组卵白乙酰化修饰酶
3.1.2.1组卵白乙酰化移动酶
组卵白乙酰基移动酶是一个超基因眷属，现在已被已然的组卵白乙酰基移动酶有20多种。根据结构上的特质，植物组卵白乙酰移动酶（Histone acetyltransferases，HATs）可分为4个眷属，包括GNAT（Gcn5-related N-acetyltransferase）、MYST（MOZ-YBF2/SAS3-SAS2-TIP60）、CBP/p300（CREB-binding protein）和TAFII-250（TATA-binding protein-associated factor）4个亚眷属(Lee and Workman 2007) 。不同的HATs戒备催化不同的组卵白位点：GNAT催化H3K14或H3K12位点；MYST催化H4K5位点；CBP/p300的作用位点较为粗豪，对总共可以发生乙酰化的位点均有作用(夏德安等， 2015) 。GNAT是最大的组卵白乙酰移动酶亚眷属，包括GCN5、PCAF、Elp3、Hat1和Hpa2等。植物GNAT眷属卵白在N端存在长度越过100个氨基酸的保守序列（HAT结构域），C端存在一个bromodomain结构域。HATs结构域由4个motif（C、D、A和B）构成，A motif是高度保守的区域，大约与乙酰基辅酶A结合。Bromodomain结构域大约与组卵白结尾乙酰化的赖氨酸残基相结合，这种结合对于染色质结构的转变和基因抒发的鼎新具有迫切作用(Lee and Workman 2007)。
3.1.2.2组卵白去乙酰化酶
比较于组卵白乙酰化酶，组卵白去乙酰化酶（HDACs）的种类更多，况且数目愈加盛大，现在已然到的HDACs可以归为3个亚眷属：RPD3/HDA1、HD2和SIR2(韩召奋等， 2017) 。RPD3/HAD1在整个真核生物中普遍存在。SIR2是HDACs眷属中较为特地的一类，它与其他类型的HDACs无结构上的相同性。HD2是植物所独到的一类HDACs。水稻部分HATs和HDACs以及功能分析如表2所示，仅供参考。
表2 水稻部分HATs和HDACs以及功能分析(杨涛等， 2022)。
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3.2 组卵白甲基化修饰
3.2.1组卵白甲基化修饰位点和功能
与组卵白乙酰化不同，组卵白甲基化不会转变组卵白电荷，也不会径直影响组卵白-DNA互相作用。甲基化的存在或不存在主要影响了它们与Reader卵白的结合，导致染色质结构的转变，从而导致转录扼制或激活(Liu et al.， 2010)，是否扼制或激活主要取决于组卵白中甲基化的真正氨基酸以及伙同的甲基数目。组卵白甲基化发生在赖氨酸（Lysine，K）和精氨酸（Arginine，R）残基上，赖氨酸可以分歧被一、二、三甲基化(Liu et al.， 2010)，而精氨酸只可被一和二甲基化（二甲基化分为对称性和非对称性）。最常见的是在H3组卵白尾部赖氨酸残基的甲基化修饰，其中，组卵白H3第4、9、27、36位赖氨酸甲基化现在筹议的最为明晰(郑月琴等， 2022)。植物部分组卵白甲基化修饰位点和功能如表3所示，仅供参考。
表3 植物部分组卵白甲基化修饰位点和功能(郑月琴等， 2022; Ueda and Seki 2020)。
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3.2.2组卵白甲基化修饰酶
3.2.2.1组卵白甲基移动酶
组卵白甲基移动酶（Histone methyltransferases，HMTs）将S-腺苷甲硫氨酸（Sadenosylmethionine，AdoMet/SAM）上的甲基移动到组卵白赖氨酸或精氨酸位点上以完成对组卵白的甲基化修饰（图4）。HMTs分为两类：赖氨酸甲基移动酶（Histone lysine methyltransferase，HKMTs）和精氨酸甲基移动酶（Protein arginine methyltrans ferases，PRMTs）（图6）(Liu et al.， 2010)。
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图6 赖氨酸或精氨酸残基上的组卵白甲基化和去甲基化是一个复杂的、动态的表不雅遗传秀丽调控系统(Liu et al.， 2010)。（a）一甲基化、二甲基化和三甲基化是由HKMTs和组卵白去甲基化酶（LSD1、JHDM）催化产生；（b）I型和II型PRMT分歧催化分歧称和对称二甲基化。ω-NG-mono-methyl arginine，MMA：精氨酸单甲基化；ω-NGNG-di-metric methyl arginine，ADMA：非对称精氨酸二甲基化；ω-NGN’G-di-metricmethylarginine，SDMA：对称精氨酸二甲基化。
现在已知的HKMTs包含保守SET结构域（Su，enhancer of zeste，and trithorax）的SDG（SET domain group）卵白和不含SET结构域的DOT1p（Disruptor of telomeric silencing-1p）卵白以及DOT1L（Disruptor of telomeric silencing 1-like）卵白。尽管这两种类型的卵白质具有不同的甲基移动结构域，但它们都使用S-腺苷甲硫氨酸（SAM）算作甲基供体。然则迄今为止，在植物中惟一SDG卵白被觉得是KMTs。植物SDG卵白是一个很大的卵白眷属。Li Huang等东谈主根据前东谈主的筹议将拟南芥和水稻中的SDG分为7个亚眷属（Ⅰ-Ⅶ）（图7），分歧为E(z)、Ash、Trx、ATXR5/6、Suv、SMYD、SETD(Zhou et al.， 2020)。
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图7 拟南芥和水稻SDG卵白的保守结构域(Zhou et al.， 2020)。EZD：E（z）结构域；SANT：SWI3、ADA2、N-CoR和TFIIIB DNA结合结构域；CXC：富含半胱氨酸的区域；AWS；与SET区域关联；PHD；植物同源结构域；Zf-CW：具有保守Cys和Trp残基的锌指卵白；PWWP：保守的Pro-Trp-Trp-Pro motif；FYRN：富含F/Y的N结尾；FYRC，富含F/Y的C结尾；YDG，保守的Tyr-Asp-Gly motif；SRA：一个保守的SET和一个RING锌指相关结构域；RSB、二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）LSMT底物结合结构域。
PRMTs根据催化神志可以分为两类，第一类：PRMT眷属中的PRMT1、PRMT2、PRMT3、PRMT4、PRMT6和PRMT8可催化形成单甲基化和非对称性二甲基化（图6）。第二类：PRMT5、PRMT7和PRMT9可催化形成单甲基化和对称性二甲基化。在已发现的酶中，除了PRMT3、PRMT8和PRMT9外，精氨酸甲基移动酶均可以作用于组卵白(杨涛等， 2022)。PRMT眷属在植物中的筹议较少，在这里就不具体筹议该眷属分类情况和保守结构域了。
3.2.2.2组卵白去甲基化酶
组卵白去甲基化酶（Histone demethylases，HDMs）在鼎新组卵白甲基化稳态中起着至关迫切的作用。HDMs根据机制的不同可以分为两种：赖氨酸特异性去甲基化酶KDM1/LSD1和含有Jumonji C结构域的去甲基化酶JMJ。KDM1/LSD1通过FAD依赖的胺氧化反搪塞单和二甲基化的赖氨酸残基进行脱甲基化。而JMJ卵白催化的去甲基化响应是一种依赖于铁（II）和α-酮戊二酸的双加氧酶响应，JMJ卵白在组卵白去甲基化中发达迫切作用，H3K4、H3K9、H3K27和H3K36甲基化修饰均可被其去除。拟南芥和水稻分歧含有21和20个JmjC结构域卵白（JMJs），Luo等东谈主根据卵白序列的相同性，这些JMJ被分为五个亚眷属（图8B），包括：KDM5/JARID1 组、KDM4/JHDM3组、KDM3/JHDM2组、JMJD6组以及JmjC domain-only组(Luo et al.， 2013)。
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图8 拟南芥组卵白赖氨酸去甲基化酶的保守结构域(Luo et al.， 2013)。（A）KDM1/LSD1卵白的保守结构与域；（B）JMJ眷属保守结构域。
在水稻和拟南芥中HMTs和HDMs已有不少筹议(杨涛等， 2022)，篇幅有限，不逐个列举，水稻和拟南芥部分组卵白HMTs和HDMs以及功能分析如表4所示，仅供参考。
表4 水稻和拟南芥部分HMTs和HDMs以及功能分析 (杨涛等， 2022; Luo et al.， 2013)
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3.2.2.3组卵白甲基化的识别卵白
甲基化组卵白的识别（Reader）是通过具有甲基结合域的卵白来终了的(Liu et al.， 2010)。在拟南芥中，一些组卵白甲基化识别卵白如LHP1/TFL2、ORC1、AtING、AL和WDR5a已被阐扬在体内或体外结合甲基化组卵白。
LHP1/TFL2的chromo结构域对于H3K27me3在其靶基因座的结合是必需的，况且LHP1/TFR2的结合对于H3K27me3秀丽基因（如着花扼制基因FLC，FLOWERING LOCUS C 1）的强壮千里默是必需的(Mylne et al.， 2006)。ORC1是DNA复制肇始识别复合物（ORC）的大亚基。拟南芥ORC1a和ORC1b含有在酵母和动物ORC1中不存在的PHD指状结构域。拟南芥ORC1可以通过PHD指状结构域与H3K4me3秀丽互相作用，这是激活靶基因转录所必需的(Sanchez et al.， 2009)。
现在还不王人备明晰识别卵白是何如将组卵白秀丽转念为径直的下流功能的。动物筹议的一系列凭据标明，一些已知的识别卵白是具有染色质重塑或修饰活性的卵白质复合物的亚基(Taverna et al.， 2007)。
3.3组卵白磷酸化修饰
组卵白磷酸化修饰影响染色体的结构和功能有两种可能的机制：第一，磷酸基团的负电荷中庸了组卵白所佩带的正电荷，这变成组卵白与DNA之间的亲和力下跌；第二，磷酸化修饰有益于组卵白与卵白质的识别，促进卵白质复合物的招募或者互相作用(聂文锋等， 2022)。组卵白磷酸化往往发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸位点上，组卵白H3的磷酸化进化保守，主要有第10位和28位的丝氨酸（H3S10p、H3S28p）以考中3位和11位的苏氨酸（H3T3p、H3T11p）。植物濒临环境压力，如盐威迫和低温威迫，组卵白H3磷酸化也呈现动态变化(赵琳等， 2020)。
表5 植物部分组卵白甲基化修饰位点和功能(郑月琴等， 2022)。
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3.4组卵白泛素化修饰
泛素是由76个氨基酸构成的低分子量卵白质（大要8.451 kDa），泛素化是泛素分子在激活酶、结合酶、伙同酶和降解酶等一系酶的作用下，对靶卵白进行特异性修饰的进程。组卵白的泛素化修饰在转变染色体的构象、招募并活化下流卵白和算作降解信号降解卵白等方面发达作用(聂文锋等， 2022)。现在筹议最多的是组卵白H2A和H2B的单泛素化，单泛素化的H2A多出现于异染色质中，与基因千里默关联。而单泛素化的H2B多存在于活跃的常染色质中，与转录激活关联(Lawrence et al.， 2016)。
Cao等东谈主筹议标明水稻组卵白单泛素化酶OsHUB1和OsHUB2介导的组卵白H2B单泛素化与H3K4me2协同调控花药发育的转录调控(Cao et al.， 2015)。Chen等东谈主筹议表示拟南芥E3伙同酶HUB2（AtHUB2）促进组卵白H2B单泛素化，过量抒发AtHUB2大约训诫转基因棉花的抗旱性(Chen et al.， 2019)。
04组卵白修饰筹议次第
对于组卵白修饰位点进行全基因组畛域的筹议主要有两种次第：ChIP-seq和CUT&Tag。ChIP-seq是将ChIP（染色质免疫共千里淀）和NGS（二代测序）相结合的一种次第，该次第可以通过特异性组卵白修饰的抗体免疫千里淀来分离组卵白的主义修饰偏执结合的基因组DNA，并将相关DNA进行片断化及测序，以此来笃定组卵白修饰在基因组上的位置及丰采。该本事是筹议组卵白修饰在整个基因组中定位的金程序。全球感敬爱的话可以搜检咱们的往期推文“判辨表不雅遗传学的器具——ChIP-seq（二）”
CUT&Tag是2019年设立的用于筹议卵白质与DNA之间互相作用的新次第。该次第当先通过组卵白修饰的特异性抗体（一抗）孵育，使抗体参加细胞与靶卵白结合。为了放大信号，使用pAG-Tn5转座体（二抗）进行孵育，使得转座体参加细胞并与抗体结合，这么就把转座体盘曲的固定在靶卵白上，随后加入Mg2+，激活Tn5酶的切割活性，割断靶卵白结合的DNA区域。由于Tn5切割DNA进程中伙同有测序筹议，在割断DNA的同期径直在片断化的DNA上加筹议，接着索求DNA，进行PCR扩增构建文库(Zheng et al.， 2020)。
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图9 ChIP-seq与CUT&Tag施行步地比较(Zheng et al.， 2020)。
两种本事都是通过特异性抗体拿获所要筹议的组卵白修饰，后分离与组卵白修饰相结合的DNA，并通过对DNA进行测序和分析来预计组卵白修饰的位置及丰采。但比较于ChIP-Seq，CUT&Tag更有上风。CUT&Tag的上风体现不才面几点：
表6 CUT&Tag与ChIP-seq比较（Kaya-Okur et al.， 2019）。
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小远叨叨
小远今上帝要为全球先容了组卵白修饰和组卵白修饰酶，总结了部分组卵白修饰位点和修饰酶的功能供全球参考，之前对这一块本体比较生分的同学，刚好通过此次契机了解了解，但愿大约对全球有所匡助，接待全球在辩论区多多留言。下期还会共享组卵白修饰在植物方面的筹议讹诈和想路，或者是给全球先容组卵白修饰酶眷属的筹议，全球有感敬爱的本体也可以在辩论区留言哦！
终末，小远想说我司领有ChIP-seq和CUT&Tag等多组学本事，可为您筹议组卵白修饰和修饰酶提供就业，助力发表高分著作！
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