1. 什么是組蛋白磷酸化？

組蛋白磷酸化的概念首次在1967年被提出 ^[1]。組蛋白磷酸化酶將磷酸基團(tuán)沉積到組蛋白上的絲氨酸（S）、蘇氨酸（T）或酪氨酸（Y）殘基上。大多數(shù)磷酸化發(fā)生在H3S10和H3S28上，以及H3T3、H3T6和H3T11上。組蛋白磷酸化可以根據(jù)特定背景和磷酸化位點(diǎn)的位置對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生不同影響。

2. 參與組蛋白磷酸化的三個(gè)基本組成部分

每個(gè)四個(gè)核心組蛋白都容易被不同的蛋白激酶磷酸化，而磷酸化過程可以被磷酸酶逆轉(zhuǎn)，這個(gè)過程被稱為去磷酸化。識(shí)別和結(jié)合磷酸化組蛋白，以及將信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同生物輸出的最終過程是由磷酸化組蛋白讀取器完成的。

2.1 蛋白激酶

蛋白激酶，是將磷酸基團(tuán)添加到組蛋白上的酶。

表1. 組蛋白磷酸化位點(diǎn)、已知激酶和功能 ^[2,16]

2.2 擦除酶

組蛋白磷酸酸酶，也被稱為擦除酶，從磷酸化組蛋白上去除磷酸基團(tuán)。在哺乳動(dòng)物中有八種不同的Ser/Thr特異性蛋白磷酸酶（PPs），包括PP1、PP2A、PP2B、PP2C、PP4、PP5、PP6和PP7 ^[3]。在這些酶中，PP1、PP2A和PP4都被確認(rèn)為組蛋白磷酸酸酶。

2.3 讀取蛋白

組蛋白磷酸化的讀取蛋白是識(shí)別并結(jié)合磷酸化組蛋白的磷酸化組蛋白結(jié)合蛋白，從而將信號(hào)解釋為不同的生物學(xué)輸出。這些蛋白攜帶磷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域，例如14-3-3和BRCT結(jié)構(gòu)域。

3. 組蛋白磷酸化機(jī)制

了解組蛋白磷酸化需要掌握其潛在機(jī)制：

3.1 激酶激活

組蛋白磷酸化始于激酶的激活。這些激酶可以在細(xì)胞應(yīng)激、生長(zhǎng)因子和DNA損傷等各種信號(hào)作用下被激活。

3.2 磷酸添加

一旦激活，激酶會(huì)靶向組蛋白蛋白質(zhì)上特定的氨基酸，主要是絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基。磷酸基團(tuán)被添加到這些氨基酸上，改變了組蛋白的電荷和結(jié)構(gòu)。

3.3 功能結(jié)果

組蛋白磷酸化通過多種機(jī)制影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。它可以創(chuàng)造其他蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)，或者直接改變組蛋白和DNA之間的相互作用。這些變化最終決定了附近基因是被激活還是被沉默。

4. 組蛋白磷酸化的功能

由激酶和磷酸酶協(xié)調(diào)的組蛋白磷酸化和去磷酸化被認(rèn)識(shí)為調(diào)控各種涉及染色質(zhì)的過程的關(guān)鍵機(jī)制，包括轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制、DNA損傷修復(fù)、染色體分離和凋亡反應(yīng)。

例如，H2A.X S139 和 H4S1 與 DNA 損傷應(yīng)答相關(guān)。H3S10、H3S28、H2BS32、H3T6、H3T11、H3Y41、H2BS36、H2BY37、H4S1 和 H4S47 與轉(zhuǎn)錄相關(guān)。H3S10 和 H3S28 出現(xiàn)在有絲分裂中。H4S1 和 H2BS10 見于減數(shù)分裂。H2BS10、H2AXS139 和 H3T45 參與了凋亡。

組蛋白磷酸化還在細(xì)胞周期調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。在G1期，組蛋白磷酸化促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和DNA復(fù)制。在S期，組蛋白磷酸化有助于維持復(fù)制叉的穩(wěn)定性。在G2和M期，組蛋白磷酸化對(duì)染色體分離和有絲分裂過程至關(guān)重要。

對(duì)于變異型組蛋白H2A(X)在絲氨酸139位置的磷酸化，即γH2A(X)，是DNA損傷應(yīng)答（DDR）中的關(guān)鍵事件。這種修飾在細(xì)胞周期的各個(gè)階段以及對(duì)各種DDR途徑的應(yīng)答中發(fā)生，包括非同源末端連接（NHEJ）、同源重組（HR）和與復(fù)制有關(guān)的DNA修復(fù)。

圖1. 哺乳動(dòng)物細(xì)胞中組蛋白H2AX磷酸化位點(diǎn)和發(fā)生在S139的重要事件 ^[16]

5. 組蛋白磷酸化與其他組蛋白修飾的相互作用

組蛋白磷酸化，類似于其他組蛋白修飾，不是獨(dú)立發(fā)揮作用的，而是與其他翻譯后修飾，包括甲基化和乙酰化，進(jìn)行復(fù)雜的相互作用。

H3S10磷酸化在物理上和功能上與幾乎相鄰的K14殘基的乙酰化相結(jié)合，而H3K14的乙酰化增強(qiáng)了H3S10ph與14-3-3之間的相互作用。Zippo等人發(fā)現(xiàn)，H3S10ph能與14-3-3蛋白相互作用，并促使組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶MOF的招募，MOF乙酰化H3K16。這些連續(xù)事件招募了Brd4和P-TEFb，最終促進(jìn)了局部轉(zhuǎn)錄 ^[13]。

H3S28ph與H3K27ac一起有助于啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。它通過將染色質(zhì)中的Polycomb抑制復(fù)合物排斥，啟動(dòng)附近H3K27殘基的去甲基化和隨后的乙酰化，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄的激活。

PKCβI介導(dǎo)的H3T6的磷酸化抑制了LSD1和JARID1B對(duì)H3K4的去甲基化，而PRK1介導(dǎo)的H3T11的磷酸化促進(jìn)了JMJD2C對(duì)H3K9的去甲基化 ^{[14, 15]}。

一項(xiàng)研究表明，H3T11磷酸化增加了它在Gcn5依賴的基因啟動(dòng)子上與KAT Gcn5的相互作用，如細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子cyclin B和cdk1，最終導(dǎo)致H3K9和K14的乙酰化增強(qiáng)，從而推動(dòng)了轉(zhuǎn)錄的激活。

H4乙酰轉(zhuǎn)移酶MOF通過與14-3-3的相互作用被招募到H3S10的磷酸化區(qū)域，從而在即時(shí)早期（IE）基因的激活期間實(shí)現(xiàn)H3S10ph和H4K16ac之間的相互作用 ^[13]。

6. 組蛋白磷酸化與疾病

組蛋白磷酸化與許多疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，包括腫瘤、心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。在腫瘤中，異常的組蛋白磷酸化導(dǎo)致基因表達(dá)失調(diào)，促使異常細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移。多種癌癥類型中都有多個(gè)組蛋白蛋白的異常磷酸化，以及負(fù)責(zé)調(diào)控組蛋白磷酸化的基因突變。在心血管疾病中，組蛋白磷酸化的不平衡可以導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡和心肌梗死。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，組蛋白磷酸化的失調(diào)可能導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和認(rèn)知下降。

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