組蛋白甲基化
1999年首次描述了組蛋白甲基化與DNA轉錄之間的聯(lián)系，但與組蛋白乙酰化不同的是，隨后很快就鑒定出了特定的組蛋白甲基轉移酶（HMTs）[1,2]。
1. 什么是組蛋白甲基化？
組蛋白甲基化是發(fā)生在H3和H4組蛋白的N-末端的賴氨酸（K）或精氨酸（R）殘基上的甲基化。組蛋白精氨酸殘基可以是單甲基化（me1），不對稱或對稱二甲基化（me2as或me2s），而賴氨酸殘基可以經(jīng)歷單甲基化，二甲基化（me2）和三甲基化（me3）。
在哺乳動物細胞中，有六個廣泛研究的甲基化位點，包括H3K4，H3K9，H3K27，H3K36，H3K79和H4K20。至于精氨酸甲基化，主要發(fā)生在H3R2，H3R8，H3R17，H3R26和H4R3 [3]。與通過減弱組蛋白-DNA相互作用引起轉錄激活的組蛋白乙酰化不同，組蛋白甲基化增加了組蛋白的堿性和疏水性，并影響DNA-轉錄因子的相互作用，從而激活或抑制基因表達。
2. 參與組蛋白甲基化的三個關鍵組分
組蛋白甲基化是通過三個關鍵組分的作用完成的，包括編碼酶、讀取酶和擦除酶。編碼酶，也稱為組蛋白甲基轉移酶（HMTs），從S-腺苷甲硫氨酸（AdoMet）向組蛋白尾部轉移甲基基團。讀取酶識別和結合甲基基團，最終影響基因表達。擦除酶，也稱為組蛋白去甲基酶（HDMs），去除甲基基團。HMTs和HDMs共同維持適當?shù)娜纸M蛋白甲基化水平，從而調控基因表達模式。
2.1 組蛋白甲基轉移酶
組蛋白甲基轉移酶（HMTs）根據(jù)其結構和修飾位置分為兩類：組蛋白賴氨酸甲基轉移酶（KMTs）和蛋白精氨酸甲基轉移酶（PRMTs）。不同的酶負責不同位點的甲基化。
基于它們的細胞定位，HAT可分為兩大類：A型HATs位于細胞核，乙酰化核小體組蛋白和其他染色質相關蛋白，而B型HATs位于細胞質，專門乙酰化新合成的游離組蛋白，對轉錄沒有直接影響。
KMTs通過將甲基基團從S-腺苷甲硫氨酸轉移至組蛋白賴氨酸殘基的ε-氮，對組蛋白賴氨酸殘基進行單甲基化，二甲基化或三甲基化。根據(jù)催化結構域序列，KMTs分為兩個家族：含SET結構域的KMTs和不含SET結構域的KMTs。
PRMTs通過對組蛋白精氨酸殘基的鳥嘌呤基團進行單甲基化或二甲基化來實現(xiàn)。它們主要分為類型I和類型II酶，啟動形成單甲基化（MMA）中間體。然后，由類型I PRMTs（PRMT 1-4，6，8和9）產(chǎn)生精氨酸殘基的不對稱二甲基化（aDMA）和由類型II PRMTs（PRMT5和7）產(chǎn)生的對稱二甲基化（sDMA）。
| 組蛋白甲基轉移酶（HMT） | 亞型 | 甲基化位點 | 甲基化位點 | 染色質狀 |
|---|---|---|---|---|
| KMTs | SET domain-containing KTMs | H3K4 | SET1A/KMT2F | 活躍 |
| SET1B/KMT2G | ||||
| MLL1/KMT2A | ||||
| MLL2/KMT2B | ||||
| MLL3/KMT2C | ||||
| MLL4/KMT2D | ||||
| SMYD1/KMT3D | ||||
| SMYD2/KMT3C | ||||
| SET7/9/KMT7 | ||||
| PRDM9 | ||||
| H3K9 | SUV39H1/KMT1A | 不活躍 | ||
| SUV39H2/KMT1B | ||||
| G9a/KMT1C | ||||
| GLP/KMT1D | ||||
| SETDB1/KMT1E | ||||
| PRDM family: (PRDM1, PRDM4, PRDM5, PRDM14) | ||||
| H3K27 | EZH1/KMT6B | 不活躍 | ||
| EZH2/KMT6A | ||||
| H3K36 | SETD2/KMT3A | 活躍 | ||
| NSD1/KMT3B | ||||
| NSD2/KMT3G | ||||
| NSD3/KMT3F | ||||
| SMYD2/KMT3C | ||||
| ASH1L/KMT2H | ||||
| SETD3 | ||||
| SETMAR | ||||
| H4K20 | SET8/KMT5A | 不活躍 | ||
| SUV4-20H1/KMT5B | ||||
| SUV4-20H2/KMT5C | ||||
| Non-SET domain-containing KTMs | H3K79 | DOT1L/KMT4 | 活躍 | |
| PRMT family | H3R2 | PRMT5 | 活躍 | |
| PRMT6 | 不活躍 | |||
| PRMT7 | 活躍 | |||
| H3R8 | PRMT2 | 不活躍 | ||
| PRMT5 | ||||
| H3R17 | PRMT4 | 活躍 | ||
| H3R26 | PRMT4 | 活躍 | ||
| H4R3 | PRMT5 | 活躍 | ||
| PRMT7 | 不活躍 | |||
2.2 組蛋白去甲基酶
2004年首次發(fā)現(xiàn)的LSD1是一種特異性去甲基化組蛋白H3K4的酶，隨后鑒定出了幾種在轉錄調控中發(fā)揮作用的去甲基酶。去甲基酶的發(fā)現(xiàn)糾正了組蛋白甲基化是可逆的觀念。有兩個主要的KDM家族：KDM1家族和含有Jumonji C（JmjC）結構域的家族。
| 分類 | 組蛋白去甲基化酶 | 底物特異性 | 功能 |
|---|---|---|---|
| KDM1 family | KDM1A/LSD1 | H3K4me1/2, H3K9me1/2 | 轉錄激活或抑制，異染色質形成 |
| KDM1B/LSD2 | H3K4me1/2 | 轉錄抑制 | |
| JmjC family | KDM2A | H3K36me1/2 | 轉錄延伸 |
| KDM2B | H3K36me1/2 | 轉錄延伸 | |
| KDM3A | H3K9me1/2 | 雄激素受體基因激活，精子發(fā)生 | |
| KDM3B | H3K9me1/2 | 轉錄激活 | |
| KDM4A | H3K9me2/3, H3K36me2/3 | 轉錄抑制，基因組完整性 | |
| KDM4B | H3K9me2/3, H3K36me2/3 | 異染色質形成 | |
| KDM4C | H3K9me2/3, H3K36me2/3 | 可能的致癌基因 | |
| KDM4D | H3K9me2/3, H3K36me2/3 | 轉錄激活或抑制 | |
| KDM5A | H3K4me2/3 | 視網(wǎng)膜母細胞瘤相互作用蛋白 | |
| KDM5B | H3K4me1/2/3 | 轉錄抑制 | |
| KDM5C | H3K4me2/3 | X連鎖智力障礙 | |
| KDM5D | H3K4me2/3 | 男性特異性抗原 | |
| KDM6A | H3K27me2/3 | 轉錄激活 | |
| KDM6B | H3K27me2/3 | 轉錄激活 | |
| KDM7A | H3K9me1/2, H3K27me1/2 | 轉錄激活 | |
| KDM7B | H3K9me1/2 | 轉錄激活 | |
| NO66 | H3K4me2/3, H3K36me2/3 | 轉錄抑制 |
2.3 讀取蛋白
組蛋白甲基化的讀者蛋白通過甲基化賴氨酸結合結構域（包括植物家庭結構域（PHD）、染色體結構域（chromo）、圖多爾（tudor）、脯氨酸-色氨酸-色氨酸-脯氨酸（PWWP）、WD40、BAH、ADD、ankyrin重復、MBT 和 zn-CW結構域）來識別甲基化的組蛋白。此外，這些蛋白質可以通過評估它們的甲基化狀態(tài)和相鄰氨基酸序列，來甄別受甲基化的賴氨酸目標。
用于組蛋白甲基化的不同類型的讀者結構域是根據(jù)它們識別不同甲基化位點的能力進行分類的。PHD手指結構域負責識別H3K4甲基化，而染色體結構域對K9或K27甲基化具有特異性；這些染色體結構域亞家族分別適用于各自的位點。此外，PWWP結構域與K36甲基化的識別相關。
| PTMs | 位置 | 結構域 | 讀取者 |
|---|---|---|---|
| Lysine Methylation | H3K4 | Chromo | CHD1 |
| PHD | RAG2, ING2, BPTF, TAF3, PHF2, ING4, YNG1, PHF8, BHC80, AIRE | ||
| Tudor | JMJD2A, JMJD2C, Sgf29 | ||
| WD40 | WDR5, WDR9 | ||
| ADD | Dnmt3L | ||
| MBT | PHF20L1 | ||
| Zf-CW | ZCWPW1 | ||
| H3K9 | Chromo | HP1, CDY1, CDYL, CDYL2 | |
| PHD | SMCX | ||
| Tudor | TDRD7, UHRF1 | ||
| WD40 | EED, LRWD1 | ||
| Ankyrin Repeats | G9a/GLP | ||
| H3K27 |
Chromo | PC, CDYL, CDYL2, CBX7, MPP8 | |
| WD40 | EED, LRWD1 | ||
| H3K36 |
PWWP | DNMT3A, BRPF1, NSD1, NSD2, NSD3, MSH-6, N-PAC | |
| Chromo | Eaf3, MSL3, MRG15 | ||
| H3K79 | Tudor | 53BP1 | |
| H4K20 |
Tudor | 53BP1/Crb2, PHF20 | |
| MBT | PHF20L1, L3MBTL1,Sfmbt1 | ||
| WD40 | LRWD1 | ||
| PWWP | Pdp1 | ||
| H1K26 | MBT | L3MBTL1 | |
| WD40 | EED | ||
| Arginine Methylation | H3R17 | Tudor | TDRD3 |
| H4R3 | Tudor | TDRD3 | |
| ADD | Dnmt3a |
表格信息來源: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3131977/
3. 組蛋白甲基化的機制
組蛋白甲基化通過吸引各種轉錄因子而不是直接修改染色質結構，從而控制基因表達。當組蛋白甲基轉移酶（HMTs）向H3和H4上的賴氨酸或精氨酸殘基添加甲基基團，與活躍染色質相關聯(lián)時，轉錄激活因子（TA）被吸引到這些位點，促進基因表達。
另一方面，當HMTs靶向與染色質抑制相關的H3和H4上的不同殘基時，甲基化區(qū)域可以吸引轉錄抑制因子（TR），導致基因沉默。組蛋白甲基化的轉錄影響可以被組蛋白去甲基酶（HDMs）逆轉。維持適當?shù)幕虮磉_依賴于HMT和HDM酶的平衡活動。
圖1. 組蛋白甲基化機制
圖片參考來源: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7820808/
4. 組蛋白甲基化的功能
組蛋白甲基化是一個動態(tài)且可逆的過程，在各種生物事件中發(fā)揮著關鍵作用，包括異染色質形成、X染色體失活、基因組穩(wěn)定性、轉錄調控、細胞生長、新陳代謝、信號傳導和DNA損傷應答（DDR）[4,5]。
組蛋白甲基化可以激活或抑制基因表達，這主要取決于甲基化位點和甲基化水平（添加的甲基團數(shù)）。例如，H3K9me2/3、H3K27me2/3和H4K20me參與基因抑制，而H3K27me1、H3K4me2/3、H3K36me3和H3K79me2/3與基因激活相關聯(lián)。
5. 組蛋白甲基化與DNA甲基化的相互作用
DNA甲基化是將甲基基團添加到DNA的胞嘧啶堿基上，主要發(fā)生在CpG二核苷酸上。DNA甲基化模式與基因沉默和穩(wěn)定的轉錄抑制相關聯(lián)。
組蛋白甲基化與DNA甲基化之間存在廣泛的關聯(lián)和相互作用。某些基因組位點的DNA甲基化依賴于組蛋白甲基化。DNA的修飾狀態(tài)和序列可以影響染色質中組蛋白蛋白質的甲基化狀態(tài)。
Kondo等人證實了H3K9甲基化在基因沉默機制中與DNA甲基化具有協(xié)同作用，而H3K4甲基化對抗DNA甲基化引起的基因沉默 [6]。
David Allis等人揭示了DNMT3A優(yōu)先選擇H3K36二甲基化區(qū)域以促進基因間DNA甲基化，并發(fā)現(xiàn)Sotos綜合癥患者的血樣和NSD1突變腫瘤中發(fā)生了基因間DNA甲基化的選擇性喪失 [7]。這一發(fā)現(xiàn)擴展了H3K36甲基化和DNA甲基化修飾之間精確調控機制的認識，對于理解相關人類遺傳疾病的發(fā)生具有重要的生物學意義。
6. 組蛋白甲基化與疾病
不同位點和狀態(tài)的組蛋白甲基化可以演變?yōu)槎喾N甲基化修飾模式，為組蛋白甲基化調控的基因表達增加了復雜性和多樣性。組蛋白甲基轉移酶（HMTs）和組蛋白去甲基酶（HDMs）精細地維持了組蛋白甲基化和去甲基化之間的平衡。包括突變或改變組蛋白甲基修飾酶和甲基結合蛋白表達在內的任何改變，都可能擾亂這種平衡，導致各種疾病，特別是癌癥 [8]。
例如，H3K27me3甲基轉移酶在多種癌癥中上調，包括前列腺癌、乳腺癌和淋巴瘤 [9-11]。組蛋白甲基轉移酶NSD1和EZH2在許多腫瘤中過度表達，而DOT1L在白血病中發(fā)揮重要作用。組蛋白去甲基酶KDM1A和KDM5B分別在惡性程度較高的神經(jīng)母細胞瘤和前列腺癌中過度表達。LSD1與p53的直接相互作用降低了p53的活性，導致p21表達減少，從而誘導腫瘤發(fā)生。甲基化閱讀蛋白的異常活動也與許多人類疾病相關，包括發(fā)育障礙和癌癥。
組蛋白甲基化參與了從受精前到出生后的發(fā)育基因表達。甲基化缺陷影響各種發(fā)育過程，可以導致成熟動物的發(fā)育停滯和致死，或者根據(jù)甲基化缺陷的性質和細胞類型特異性導致器官功能的特定缺陷。例如，KDM6B缺失導致心肌細胞增殖在后期發(fā)育時停止。完全刪除H3K4me3去甲基酶KDM5C導致小鼠中的神經(jīng)發(fā)育異常，并且阻礙了皮質發(fā)育。
參考文獻：
[1] Strahl BD, Ohba R, Cook RG, Allis CD. Methylation of histone H3 at lysine 4 is highly conserved and correlates with transcriptionally active nuclei in Tetrahymena [J]. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999;96:14967–14972.
[2] Rea S, Eisenhaber F, O’Carroll D, et al. Regulation of chromatin structure by site-specific histone H3 methyltransferases [J]. Nature. 2000;406:593–599.
[3] Klose, R. J., and Zhang, Y. (2007). Regulation of histone methylation by demethylimination and demethylation [J]. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8, 307–318.
[4] Martin C, Zhang Y. The diverse functions of histone lysine methylation [J]. Nat Rev Mol Cell Biol 2005;6:838–849.
[5] E.L. Greer, Y. Shi. Histone methylation: A dynamic mark in health, disease and inheritance [J]. Nat. Rev. Genet., 13 (2012), pp. 343-357.
[6] Kondo Y, Shen L. Issa J P. Critical role of histone methylation in tumor suppressor gene silencing in colorectal cancer [J]. Mol Cell Biol. 2003. 23(1); 206~215.
[7] David Allis et al. The histone mark H3K36me2 recruits DNMT3A and shapes the intergenic DNA methylation landscape [J]. Nature. 573: 281-286 (2019).
[8] Chi P, Allis CD, Wang GG. Covalent histone modifications--miswritten, misinterpreted and mis-erased in human cancers [J]. Nature reviews. Cancer. 2010;10:457–69.
[9] Varambally S, et al. The polycomb group protein EZH2 is involved in progression of prostate cancer [J]. Nature. 2002;419:624–9.
[10] Kleer CG, et al. EZH2 is a marker of aggressive breast cancer and promotes neoplastic transformation of breast epithelial cells [J]. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003;100:11606–11.
[11] Visser HP, et al. The Polycomb group protein EZH2 is upregulated in proliferating, cultured human mantle cell lymphoma [J]. British journal of haematology. 2001;112:950–8.
