Epigenetics笔记⼀：Writers,Readers,Erasers
前⼏天忙着MSKCC的⾯试，好不容易拿了⼀个⾮常满意的offer了，新的实验室主要是histone modification⽅向。但是这个⽅向我从来没有深⼊的了解过，所以要恶补起来了~~就从最基本的开始吧：histone的翻译后修饰的writers, readers和erasers。
蛋白精PTM:
post-translational modifications
writing:
acetyltransferases
methyltransferases
Erasing:
deacetylases
demethylases
Reading:
acetyl readers
methyl readers
下⾯两张图是H2A, H2B, H3和H4的不同位点上的不同修饰的图谱，摘⾃cellsignal⽹站：
Epigenetic Writers and Erasers of Histone H3: llsignal/pathways/epigenetic-histone-h3-
pathway
Epigenetic Writers and Erasers of Histones H2A, H2B, and H4:
llsignal/pathways/epigenetic-histone-h2a-h2b-h4-pathway
Epigenetic Writers
组蛋⽩甲基转移酶(histone methyltransferases)就是这类表观遗传“Writers”之⼀，根据其靶标的residue的不同，⼜进⼀步细分为赖氨酸甲基转移酶(lysine methyltransferases)和精氨酸甲基转移酶(arginine methyltransferases)。蛋⽩质赖氨酸甲基转移酶(Protein lysine methyltransferases)，也被称为PKMTs，催化⼀个甲基从辅因⼦s -腺苷蛋氨酸(SAM)转移到暴露的组蛋⽩尾部的赖氨酸侧链上。组蛋⽩赖氨酸甲基化可将⼀个、两个或三个甲基基团转移到组蛋⽩尾部。甲基化程度具有⽣物学意义，因为与甲基化组蛋⽩相互作⽤的蛋⽩质能够区分单甲基化赖氨酸、双甲基化赖氨酸和三甲基化赖氨酸。在蛋⽩质精氨酸甲基转移酶(PRMTs)催化的反应中，组蛋⽩精氨酸残基也可能发⽣甲基化。PRMTs 产⽣单甲基化或双甲基化的精氨酸残基，双甲基化可以对称发⽣或不对称发⽣。甲基添加到精氨酸残基的对称性决定了表观遗传修饰的⽣物学效应：⾮对称双甲基化与基因激活有关，⽽对称双甲基化与基因抑制有关。 除了甲基标记外，组蛋⽩赖氨酸残基还可以通过组蛋⽩⼄酰转移酶(HATs)的活性进⾏⼄酰化。⼄酰基从辅助因⼦⼄酰辅酶a（acetyl-CoA）转移到组蛋⽩尾部赖氨酸残基上，中和赖氨酸的正电荷，这削弱
了组蛋⽩尾部对DNA的亲和⼒，减少了染⾊质的凝聚。由于更宽松、开放的染⾊质结构能够招募转录因⼦和聚合酶，组蛋⽩⼄酰化可促进基因表达。
催化组蛋⽩尾部磷酸化的酶也是重要的表观遗传“writers”。例如，JAK2磷酸化组蛋⽩H3 (H3Y41)会破坏异染⾊质蛋⽩HP1α与染⾊质的结合，导致致癌基因lmo2的DNA可接近性和转录增加。其他激酶包括Haspin、Pim-1、PKC和ATM/ATR激酶也涉及组蛋⽩的磷酸化和随后的基因表达修饰。
另⼀个改变基因表达的表观遗传标记是泛素化。组蛋⽩H2A和H2B上的赖氨酸残基可以通过E2泛素结合酶和E3泛素连接酶的协同作⽤进⾏单泛素化。组蛋⽩H2A泛素通过参与抑制复合体，包括Polycomb抑制复合体1 (PRC1)，与基因沉默相关。相反，histone H2B泛素化被认为是RNA 聚合酶活性的检查点，为Ctk1招募到RNA聚合酶II的转录早期延伸提供了⼀种停滞机制，并与基因沉默和基因转录有关。进⼀步的区别是，组蛋⽩H2B是组蛋⽩H3赖氨酸-9 (H3K9)双甲基化和三甲基化的先决条件，⽽H2A泛素化抑制了组蛋⽩赖氨酸甲基化。 DNA也可以通过不同的机制进⾏甲基化。DNA甲基转移酶(DNMTs)将甲基加到核苷酸上，发⽣在DNA双螺旋的主“沟”处，并通过阻断转录因
⼦和聚合酶的结合来阻⽌转录。DNA甲基化主要涉及胚胎发育、基因组印记和染⾊体稳定性的保留。已知有两种类型的DNA甲基化-从头（de novo）甲基化和维持甲基化。De novo甲基化主要由DNA甲
基转移酶DNMT3A和DNMT3B进⾏，催化甲基基团加到胞嘧啶核苷酸上。由于细胞复制不能保留这种甲基化，维持甲基化将这些标记从母体DNA复制到⼦DNA链上。DNMT1在体外对半甲基化DNA的⾼亲和⼒表明，该酶在体内主要负责维持DNA甲基化。
Epigenetic Readers
readers结构域的结构通常提供⼀个腔或表⾯沟槽，其中容纳特定的表观遗传标记。reader结构域和修饰氨基酸的侧翼序列之间的相互作⽤也允许包含reader结构域的蛋⽩质区分类似的表观遗传标记，例如组蛋⽩赖氨酸单甲基化、双甲基化和三甲基化。
包含readers结构域的蛋⽩质可以⼴泛地分为四类：染⾊质结构蛋⽩，染⾊质重塑酶，染⾊质修饰蛋⽩，以及参与基因表达的其他机制的接头蛋⽩。第⼀类是染⾊质结构蛋⽩，与核⼩体结合，可以直接诱导染⾊质压缩，也可以作为⼀个屏障来阻⽌RNA转录蛋⽩质的结合。
与染⾊质结构蛋⽩相⽐，染⾊质重塑酶促进了更开放的染⾊质结构。染⾊质易接近性的增加有助于DNA转录。染⾊质结构的这种结构转变是由ATP⽔解的能量驱动的。其中⼀个例⼦是酵母染⾊质重塑酶复合物，RSC，在其Rsc4亚基中包含串联溴域，它将复合物招募到组蛋⽩H3
(H3K14)上的⼄酰化赖氨酸残基上。RSC参与了许多细胞过程，包括核⼩体重塑，其结果是促进RNA聚合酶II招募到潜在的DNA，促进基因转录。
除了染⾊质重塑酶和结构蛋⽩外，许多其他含有读区的蛋⽩不能直接影响染⾊质的结构，⽽是⽤来招募⼆级染⾊质modifiers来进⼀步修饰染⾊质或逆转现有的染⾊质修饰。辅抑制因⼦复合体Sin3S通过Sin3串联溴域被招募到甲基化组蛋⽩赖氨酸残基。由于组蛋⽩去⼄酰酶HDAC1、
HDAC2和HDAC3也在Sin3S复合物中被发现，该复合物的招募促使了⼆级组蛋⽩修饰：组蛋⽩去⼄酰化。
最后⼀类含有reader结构域的蛋⽩质是接头蛋⽩。这些结构域的主要功能是招募与DNA代谢过程相关的因⼦，包括转录、DNA损伤修复、DNA 重组、DNA复制和RNA处理。MDC1的BRCT结构域-（DNA损伤反应的关键中介）与组蛋⽩H2AX上的磷酸化丝氨酸残基的相互作⽤作为⼀个接头，将组蛋⽩泛素连接酶RNF8招募到双链断裂侧边染⾊质上。随后的组蛋⽩泛素化本⾝会激活修复机制，包括肿瘤蛋⽩p53结合蛋⽩1
(TP53BP1)。
Epigenetic Erasers
组蛋⽩⼄酰化是⼀种重要的翻译后修饰，⽆论是对组蛋⽩还是⾮组蛋⽩，都对磷酸化调控细胞过程有很⼤的影响。在表观遗传学中，组蛋⽩⼄酰化是降低染⾊质凝聚从⽽促进基因转录的⼀种完整机制，
但同样重要的机制是通过组蛋⽩去⼄酰化酶(HDACs)的作⽤去除⼄酰基。HDACs可分为I 组和II组。第I类，进⼀步分为classes I, II 和 IV，含有锌依赖的酰胺⽔解酶。⽽第II类酶，也被称为III类或SIRTs，依赖烟酰胺腺嘌呤⼆核苷酸(NAD)作为辅助因⼦。
组蛋⽩磷酸酶可以靶向组蛋⽩上磷酸化的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。丝氨酸/苏氨酸磷酸酶PP1、PP2A和PP4等已被报道能使组蛋⽩去磷酸化。例如，PP2A的催化亚基与磷酸化的H2AX共域，H2AX是组蛋⽩H2A的磷酸化序列变体，在DNA双链断裂侧的染⾊质区域内迅速浓缩。磷酸化的H2AX作为DNA修复蛋⽩的停靠位点（docking site），⼀旦双链断裂重新连接，就从染⾊质中释放出来，这种机制被认为与PP2A有关。
从组蛋⽩赖氨酸残基中去除泛素基团是由去泛素化酶(DUBs)催化的。这些蛋⽩可进⼀步分为泛素特异性蛋⽩酶(USPs)和Jab1/MPN结构域相关⾦属异肽酶(JAMM)结构域蛋⽩。USP和JAMM家族成员都已被证明靶向组蛋⽩H2A和H2B，它们调控转录、DNA修复、基因表达和细胞周期进展。与其他组蛋⽩修饰相⽐，⼈们对组蛋⽩泛素的功能了解较少，但越来越多的证据表明，这种表观遗传修饰在DNA损伤反应中发挥着重要作⽤。
第⼀个被发现的组蛋⽩去甲基化酶是赖氨酸特异性去甲基化酶1 (LSD1)，也称为KDM1。LSD1包含⼀个氨基酸氧化酶结构域，它与辅助因⼦黄素腺嘌呤⼆核苷酸(FAD)结合，对去甲基化⾄关重要。另外⼀
个赖氨酸去甲基化酶家族也被鉴定出来，称为Jumonji C结构域去甲基化酶(JMJD)。去甲基化酶不需要FAD作为辅助因⼦，⽽是依赖于Fe2+/2- oxogarate (2-OG)催化。迄今为⽌，只有⼀种酶具有精氨酸去甲基酶活性，即JMJD6，它是⼀种依赖于2- og的JmjC去甲基酶。
与从组蛋⽩中移除表观遗传标记的明确机制相反，甲基从核苷酸中移除的机制仍然不清楚。然⽽，已知的是，DNA去甲基化既可以主动发⽣，也可以被动发⽣。被动DNA去甲基化是指在有丝分裂期间维持DNMTs⽆法使新合成的DNA链甲基化，⽽催化活性DNA去甲基化发⽣的分⼦机制尚未被阐明。由于DNA去甲基化在⽣殖细胞的表观遗传重编程等过程中⾄关重要，进⼀步研究活性DNA去甲基化的机制可能在⼲细胞研究中到新的靶点。
参考：
1. 视频：C. David Allis (Rockefeller U.) 1: Epigenetics: Why Your DNA Isn’t Enough
2. Epigenetic Writers
3. Epigenetic Readers
4. Epigenetic Erasers
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