上一期我们简单回顾了组蛋白的相关知识。组蛋白作为核小体的组成成分，可通过调节染色质状态来控制基因表达。组蛋白的翻译后修饰被认为通过影响染色质致密程度或招募/阻止其他蛋白复合物来发挥基因表达调控作用，常见的修饰包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等等。小恒将对这些常见的组蛋白修饰进行逐一介绍，今天就先从甲基化开始吧。
1、组蛋白甲基化位点
组蛋白甲基化大多是发生在H3和H4的碱性氨基酸上，即赖氨酸、精氨酸和组氨酸。赖氨酸残基可以发生单甲基化（me1）、二甲基化（me2）或三甲基化（me3）；精氨酸可以是单甲基化（me1）、对称二甲基化（me2s）或非对称二甲基化（me2a）；还有报道称组氨酸主要是单甲基化，但仍需进一步验证[1]。研究最为广泛的的组蛋白甲基化位点是H3和H4的赖氨酸，包括H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79 和 H4K20；另外精氨酸甲基化位点包括H3R2、H3R8、H3R17、H3R26和H4R3。
2、组蛋白甲基化分布
组蛋白不同位点的甲基化修饰可产生不同的生物学效应。H3K4和H3K36甲基化发生在具有转录活性的基因组区域，并参与转录激活过程[2, 3]。H3K9me3/2和H3K27me3通常存在于转座子和失活基因上，它们通过招募蛋白复合物结合到核小体上，改变染色质结构来抑制转录。H3K9me3修饰在异染色质中富集，并且H3K9me2通常参与常染色质中的基因沉默。
3、组蛋白甲基化的调节
与DNA甲基化和RNA甲基化类似，组蛋白甲基化修饰是可逆的，且正常情况下处于动态平衡的状态。组蛋白可由“写入”酶（组蛋白甲基转移酶，HMTs）进行甲基化修饰，可被“擦除”酶（组蛋白去甲基化酶，HDMs）去除，另外被“读取器”（组蛋白甲基化识别蛋白）识别以调节染色质结构，进而调节基因表达。
图1 组蛋白甲基化转移酶和去甲基化酶[4]
（1）组蛋白甲基转移酶（HMTs）
组蛋白甲基化发生在Lys和Arg侧链，分别由赖氨酸甲基转移酶（KMTs）和精氨酸甲基转移酶（PRMTs）催化。
① KMTs：目前为止，已鉴定出2个蛋白酶家族可催化S-腺苷甲硫氨酸中的甲基转移至组蛋白赖氨酸残基上，即含有SET结构域的蛋白和DOT1L蛋白。在人类中，有55种含有SET结构域的蛋白，其中一半具有KMT活性，以及SETD3是组氨酸甲基转移酶，还有一部分酶活性尚不清楚。SET结构域是组蛋白甲基转移酶的重要组成，负责甲基转移酶的酶催化活性，主要的KMTs有SET1、SET2、MLL、Suv39、EZH等家族。另外一种不含SET结构域的DOT1L蛋白主要负责催化H3K79甲基化，此类蛋白的种类较少。
图2 组蛋白赖氨酸甲基化与KMTs [5]
② PRMTs：哺乳动物细胞含有三种类型的甲基化精氨酸残基，即单甲基化精氨酸（MMA，Rme1）、对称二甲基化精氨酸（ADAM，Rme2a）和非对称二甲基化精氨酸（SDMA，Rme2s），MMA是SDMA和ADMA的中间体，ADAM是其中最常见的一种形式。组蛋白精氨酸甲基化主要由PRMTs家族的九个成员催化，根据其催化活性分为Ⅰ型酶（PRMT1-4、6和8）、Ⅱ型酶（PRMT5和9）和Ⅲ型酶（PRMT7）。Ⅰ型酶和Ⅱ型酶分别催化SDMA和ADMA，MMA由Ⅲ型酶生成。
图3 组蛋白精氨酸甲基化与PRMTs [6]
（2）组蛋白去甲基化酶（HDM）
赖氨酸去甲基化酶（KDM）
目前已鉴定出一个参与甲基化赖氨酸去甲基化的蛋白酶大家族，该家族又分为含有FAD依赖性胺氧化酶结构域的KDM1和包含Fe依赖性JmjC结构域的双加氧酶（KDM2-8）。KDM1可以去除单甲基化和二甲基化标记，无法去除三甲基化形式，其胺基氧化酶结构域对赖氨酸ε-胺基进行氢化物转移，形成不稳定的亚胺基，随后自发水解为甲醛。KDM2-8亚家族则可以去除赖氨酸的三种甲基化形式，JmjC结构域的去甲基化活性需要Fe2+、2-酮戊二酸（2-OG）和氧气将甲基转化为羟甲基，然后以甲醛形式释放。
图4 赖氨酸去甲基化酶家族[7]
精氨酸去甲基化酶
精氨酸去甲基化酶仍研究不足。已确定的精氨酸去甲基化酶为精氨酸脱亚胺酶4（PADI4）。PADI4通过将精氨酸转化为瓜氨酸来去除甲基化，这一过程其实不被认为是去甲基化，而是由于精氨酸到瓜氨酸转化过程中会丢失甲基基团，因此表现为去甲基化的状态。此外，PADI4并不是特异性靶向甲基化精氨酸，它对于甲基化和非甲基化的精氨酸都起作用。
（3）组蛋白甲基化识别蛋白
识别组蛋白甲基化位点是通过具有甲基结合域的蛋白实现，识别赖氨酸甲基化和精氨酸甲基化的结构域可能不同。识别组蛋白赖氨酸甲基化的结构域有PHD、chromo、WD40、Tudor、double/tandem Tudor、MBT、锚蛋白重复序列、zf-CW和PWWP，含有这些结构域的蛋白家族可识别不同的赖氨酸甲基化形式。
图5 甲基化赖氨酸识别蛋白[8]
关于精氨酸甲基化识别蛋白的研究有限，仍需要更多的实验验证。有研究发现，DNA甲基转移酶DNMT3a的ADD结构域可以识别H4R3me2，但不能识别H4R3me2a，就此将组蛋白精氨酸甲基化和DNA甲基化联系了起来。另外，TDRD3是一种转录共激活因子，其Tudor结构域能够识别H3R17me2a和H4R3me2a，进而在转录起始位点富集并激活或促进基因的转录。
本期主要简要介绍了组蛋白甲基化的类型及相关修饰酶和识别蛋白，下期我们将继续对不同类型的甲基化形式做介绍，感兴趣的小伙伴欢迎继续关注~汉恒生物专注病毒包装十余年，如有需求，欢迎随时联系咨询~
参考文献
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