WikiDer > H3K4me3

H3K4me3

H3K4me3 является эпигенетический модификация белка упаковки ДНК Гистон H3. Это знак, обозначающий три-метилирование на 4-м лизин остаток белка гистона H3 и часто участвует в регуляция экспрессии генов.[1] Название обозначает добавление трех метильные группы (триметилирование) к лизин 4 на гистон H3 белок.

H3 используется для упаковки ДНК в эукариотический клетки (включая клетки человека), а модификации гистонов изменяют доступность гены для транскрипции. H3K4me3 обычно ассоциируется с активацией транскрипция близлежащих генов. Триметилирование H3K4 регулирует экспрессию генов посредством ремоделирование хроматина посредством NURF сложный.[2] Это делает ДНК в хроматин более доступный для факторы транскрипции, позволяя генам быть записано и выражается в клетке. Более конкретно, обнаружено, что H3K4me3 положительно регулирует транскрипцию, приводя гистоновые ацетилазы и ферменты ремоделирования нуклеосом (NURF).[3] H3K4me3 также играет важную роль в генетической регуляции стволовая клетка потенция и родословная.[4] Это связано с тем, что эта модификация гистонов в большей степени обнаруживается в областях ДНК, которые связаны с развитием и установлением идентичности клеток.[5]

Номенклатура

H3K4me1 указывает монометилирование из лизин 4 на субъединице белка гистона H3:

Сокр.Смысл
H3Семейство гистонов H3
Kстандартное сокращение для лизина
4положение аминокислотного остатка

(считая от N-конца)

мнеметильная группа
3количество добавленных метильных групп

Метилирование лизина

Methylation-lysine

На этой диаграмме показано прогрессирующее метилирование остатка лизина. Три-метилирование обозначает метилирование, присутствующее в H3K4me3.

Модификация H3K4me3 создается лизин-специфическим гистон-метилтрансфераза (HMT) передача трех метильные группы к гистону H3.[6] H3K4me3 метилируется комплексами метилтрансферазы, содержащими белок WDR5, который содержит WD40 повторить белок мотив.[7] WDR5 специфически связывается с диметилированным H3K4 и делает возможным дальнейшее метилирование метилтрансферазами, что позволяет создавать и считывать модификацию H3K4me3.[8] Было показано, что активность WDR5 необходима для генов развития, таких как Hox-гены, которые регулируются метилированием гистонов.[7]

Эпигенетический маркер

H3K4me3 - это обычно используемая модификация гистонов. H3K4me3 - одна из наименее распространенных модификаций гистонов; однако он сильно обогащен активными промоторами вблизи сайты начала транскрипции (TSS) [9] и положительно коррелировал с транскрипцией. H3K4me3 используется как гистоновый код или метка гистона в эпигенетический исследования (обычно определяются через иммунопреципитация хроматина) для выявления активных промоторы генов.

H3K4me3 способствует активации гена за счет действия комплекса NURF, белкового комплекса, который действует через мотив белка пальца PHD для ремоделирования хроматина.[2] Это делает ДНК в хроматин доступен для факторы транскрипции, позволяя генам быть записано и выражается в клетке.

Понимание модификаций гистонов

Геномная ДНК эукариотических клеток обернута вокруг специальных белковых молекул, известных как Гистоны. Комплексы, образованные петлей ДНК, известны как Хроматин. Основной структурной единицей хроматина является Нуклеосома: он состоит из основного октамера гистонов (H2A, H2B, H3 и H4), а также линкерного гистона и около 180 пар оснований ДНК. Эти гистоны ядра богаты остатками лизина и аргинина. Карбоксильный (C) конец этих гистонов участвует во взаимодействиях гистонов с гистонами, а также во взаимодействиях гистонов с ДНК. Амино (N) -концевые заряженные хвосты являются местом посттрансляционных модификаций, таких как та, которая наблюдается в H3K4me1.[10][11]

Роль в стволовых клетках и эмбриогенезе

Регуляция экспрессии генов с помощью H3K4me3 играет важную роль в определении судьбы стволовых клеток и раннем развитии эмбриона. Плюрипотентные клетки имеют отличительные паттерны метилирования, которые можно идентифицировать по ChIP-seq. Это важно для развития индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Способ найти индикаторы успешной индукции плюрипотентности - сравнить эпигенетический паттерн с паттерном эмбриональные стволовые клетки.[12]

В двухвалентный хроматин, H3K4me3 совмещен с репрессивной модификацией H3K27me3 контролировать генную регуляцию.[13] H3K4me3 в эмбриональных клетках является частью системы двухвалентного хроматина, в которой участки ДНК одновременно маркируются активирующими и репрессирующими метилированиями гистонов.[13] Считается, что это позволяет создать гибкую систему экспрессии генов, в которой гены в первую очередь репрессируются, но могут быстро экспрессироваться благодаря H3K4me3 по мере того, как клетка прогрессирует в процессе развития.[14] Эти области, как правило, совпадают с генами факторов транскрипции, экспрессируемыми на низких уровнях.[14] Некоторые из этих факторов, например Hox-гены, необходимы для контроля развития и клеточной дифференциации во время эмбриогенез.[2][14]

Ремонт ДНК

H3K4me3 присутствует на участках двухцепочечных разрывов ДНК, где он способствует ремонт посредством негомологичное соединение концов путь.[15] Было сделано предположение, что связывание H3K4me3 необходимо для функционирования таких генов, как ингибитор белка роста 1 (ING1), которые действуют как опухолевые супрессоры и задействовать механизмы восстановления ДНК.[16]

Когда происходит повреждение ДНК, в результате модификации гистонов внутри хроматина начинается передача сигналов и восстановление ДНК. Механически деметилирование H3K4me3 используется для специфического связывания белков и привлечения их к повреждению ДНК.[17]

Эпигенетические последствия

Посттрансляционная модификация гистоновых хвостов с помощью комплексов модификации гистонов или комплексов ремоделирования хроматина интерпретируется клеткой и приводит к сложному комбинаторному выходу транскрипции. Считается, что Код гистона диктует экспрессию генов за счет сложного взаимодействия между гистонами в определенной области.[18] Текущее понимание и интерпретация гистонов происходит из двух крупномасштабных проектов: КОДИРОВАТЬ и эпигеномная дорожная карта.[19] Целью эпигеномного исследования было изучить эпигенетические изменения по всему геному. Это привело к состояниям хроматина, которые определяют области генома путем группирования взаимодействий различных белков и / или модификаций гистонов вместе. Состояния хроматина были исследованы в клетках дрозофилы путем изучения места связывания белков в геноме. Использование ChIP-секвенирование выявили участки в геноме, характеризующиеся различной полосатостью.[20] Различные стадии развития были профилированы и у Drosophila, акцент был сделан на актуальности модификации гистонов.[21] Анализ полученных данных привел к определению состояний хроматина на основе модификаций гистонов.[22] Были нанесены на карту определенные модификации, и было замечено, что обогащение локализовалось в определенных геномных областях. Было обнаружено пять модификаций коровых гистонов, каждая из которых связана с различными функциями клеток.

  • H3K4me3-промоторы
  • H3K4me1- грунтованные усилители
  • H3K36me3-генные тела
  • H3K27me3-поликомб репрессии
  • H3K9me3-гетерохроматин

Геном человека был аннотирован состояниями хроматина. Эти аннотированные состояния могут использоваться как новые способы аннотирования генома независимо от базовой последовательности генома. Эта независимость от последовательности ДНК обеспечивает эпигенетический характер модификаций гистонов. Состояния хроматина также полезны для идентификации регуляторных элементов, не имеющих определенной последовательности, таких как усилители. Этот дополнительный уровень аннотации позволяет глубже понять регуляцию клеточно-специфических генов.[23]

Методы

Гистоновая метка H3K4me3 может быть обнаружена различными способами:

1. Иммунопреципитация хроматина Последовательность действий (ChIP-секвенирование) измеряет степень обогащения ДНК после связывания с целевым белком и иммунопреципитированный. Это приводит к хорошей оптимизации и используется in vivo для выявления связывания ДНК с белками, происходящего в клетках. ChIP-Seq можно использовать для идентификации и количественного определения различных фрагментов ДНК для различных модификаций гистонов вдоль геномной области.[24]

2. Секвенирование микрококковой нуклеазы (MNase-seq) используется для исследования областей, которые связаны с хорошо расположенными нуклеосомами. Для определения положения нуклеосом используется фермент микрококковой нуклеазы. Видно, что хорошо расположенные нуклеосомы имеют обогащенные последовательности.[25]

3. Анализ для секвенирования доступного транспозазе хроматина (ATAC-seq) используется для поиска участков, свободных от нуклеосом (открытый хроматин). Использует гиперактивный Транспозон Tn5 чтобы выделить локализацию нуклеосом.[26][27][28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Симс Р.Дж., Нисиока К., Рейнберг Д. (ноябрь 2003 г.). «Метилирование гистонового лизина: признак функции хроматина». Тенденции в генетике. 19 (11): 629–39. Дои:10.1016 / j.tig.2003.09.007. PMID 14585615.
  2. ^ а б c Wysocka J, Swigut T, Xiao H, Milne TA, Kwon SY, Landry J и др. (Июль 2006 г.). "Палец PHD NURF связывает триметилирование лизина 4 гистона H3 с ремоделированием хроматина". Природа. 442 (7098): 86–90. Bibcode:2006 Натур 442 ... 86 Вт. Дои:10.1038 / природа04815. PMID 16728976.
  3. ^ Сантос-Роса Х., Шнайдер Р., Бернштейн Б.Е., Карабецу Н., Морильон А., Вайз С. и др. (Ноябрь 2003 г.). «Метилирование гистона H3 K4 опосредует ассоциацию АТФазы Isw1p с хроматином». Молекулярная клетка. 12 (5): 1325–32. Дои:10.1016 / с1097-2765 (03) 00438-6. PMID 14636589.
  4. ^ Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J, et al. (Апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках». Клетка. 125 (2): 315–26. CiteSeerX 10.1.1.328.9641. Дои:10.1016 / j.cell.2006.02.041. PMID 16630819.
  5. ^ Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J, et al. (Апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках». Клетка. 125 (2): 315–26. Дои:10.1016 / j.cell.2006.02.041. PMID 16630819.
  6. ^ Rice JC, Briggs SD, Ueberheide B, Barber CM, Shabanowitz J, Hunt DF и др. (Декабрь 2003 г.). «Гистоновые метилтрансферазы управляют разными степенями метилирования для определения различных доменов хроматина». Молекулярная клетка. 12 (6): 1591–8. Дои:10.1016 / с1097-2765 (03) 00479-9. PMID 14690610.
  7. ^ а б Wysocka J, Swigut T, Milne TA, Dou Y, Zhang X, Burlingame AL, et al. (Июнь 2005 г.). «WDR5 ассоциируется с гистоном H3, метилированным по K4, и необходим для метилирования H3 K4 и развития позвоночных». Клетка. 121 (6): 859–72. Дои:10.1016 / j.cell.2005.03.036. PMID 15960974.
  8. ^ Рутенбург AJ, Wang W, Graybosch DM, Li H, Allis CD, Patel DJ, Verdine GL (август 2006 г.). «Распознавание гистона H3 и презентация модулем WDR5 комплекса MLL1». Структурная и молекулярная биология природы. 13 (8): 704–12. Дои:10.1038 / nsmb1119. ЧВК 4698793. PMID 16829959.
  9. ^ Liang G, Lin JC, Wei V, Yoo C, Cheng JC, Nguyen CT, et al. (Май 2004 г.). «Четкая локализация ацетилирования гистона H3 и метилирования H3-K4 в сайтах начала транскрипции в геноме человека». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (19): 7357–62. Bibcode:2004ПНАС..101.7357Л. Дои:10.1073 / pnas.0401866101. ЧВК 409923. PMID 15123803.
  10. ^ Ruthenburg AJ, Li H, Patel DJ, Allis CD (декабрь 2007 г.). «Многовалентное взаимодействие модификаций хроматина за счет связанных связывающих модулей». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 8 (12): 983–94. Дои:10.1038 / nrm2298. ЧВК 4690530. PMID 18037899.
  11. ^ Кузаридес Т. (февраль 2007 г.). «Модификации хроматина и их функции». Клетка. 128 (4): 693–705. Дои:10.1016 / j.cell.2007.02.005. PMID 17320507.
  12. ^ Тесар П.Дж., Ченовет Дж. Г., Брук Ф.А., Дэвис Т.Дж., Эванс Е.П., Мак Д.Л. и др. (Июль 2007 г.). «Новые клеточные линии эпибласта мыши имеют общие черты с человеческими эмбриональными стволовыми клетками». Природа. 448 (7150): 196–9. Bibcode:2007Натура.448..196Т. Дои:10.1038 / природа05972. PMID 17597760.
  13. ^ а б Вастенхау Н.Л., Шир А.Ф. (июнь 2012 г.). «Модификации бивалентных гистонов в раннем эмбриогенезе». Текущее мнение в области клеточной биологии. 24 (3): 374–86. Дои:10.1016 / j.ceb.2012.03.009. ЧВК 3372573. PMID 22513113.
  14. ^ а б c Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J, et al. (Апрель 2006 г.). «Двухвалентная структура хроматина отмечает ключевые гены развития в эмбриональных стволовых клетках». Клетка. 125 (2): 315–26. CiteSeerX 10.1.1.328.9641. Дои:10.1016 / j.cell.2006.02.041. PMID 16630819.
  15. ^ Вэй С., Ли С, Инь З, Вэнь Дж, Мэн Х, Сюэ Л., Ван Дж (2018). «Метилирование гистонов в репарации ДНК и клинической практике: новые открытия за последние 5 лет». Журнал рака. 9 (12): 2072–2081. Дои:10.7150 / jca.23427. ЧВК 6010677. PMID 29937925.
  16. ^ Пенья П.В., Хом Р.А., Хунг Т., Линь Х., Куо А.Дж., Вонг Р.П. и др. (Июль 2008 г.). «Связывание гистона H3K4me3 необходимо для репарации ДНК и апоптотической активности опухолевого супрессора ING1». Журнал молекулярной биологии. 380 (2): 303–12. Дои:10.1016 / j.jmb.2008.04.061. ЧВК 2576750. PMID 18533182.
  17. ^ Gong F, Clouaire T, Aguirrebengoa M, Legube G, Miller KM (июль 2017 г.). «Гистоновая деметилаза KDM5A регулирует ремоделер хроматина ZMYND8-NuRD, способствуя репарации ДНК». Журнал клеточной биологии. 216 (7): 1959–1974. Дои:10.1083 / jcb.201611135. ЧВК 5496618. PMID 28572115.
  18. ^ Jenuwein T, Allis CD (август 2001 г.). «Перевод гистонового кода». Наука. 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900. Дои:10.1126 / science.1063127. PMID 11498575.
  19. ^ Бирни Э, Стаматояннопулос Ж.А., Дутта А., Гиго Р., Джингерас Т.Р., Маргулис Э.Х. и др. (Консорциум проекта ENCODE) (июнь 2007 г.). «Идентификация и анализ функциональных элементов в 1% генома человека в рамках пилотного проекта ENCODE». Природа. 447 (7146): 799–816. Bibcode:2007Натура.447..799Б. Дои:10.1038 / природа05874. ЧВК 2212820. PMID 17571346.
  20. ^ Филион Дж. Дж., Ван Беммель Дж. Г., Брауншвейг Ю., Талхаут В., Кинд Дж., Уорд Л. Д. и др. (Октябрь 2010 г.). «Систематическое картирование расположения белков выявляет пять основных типов хроматина в клетках дрозофилы». Клетка. 143 (2): 212–24. Дои:10.1016 / j.cell.2010.09.009. ЧВК 3119929. PMID 20888037.
  21. ^ Рой С., Эрнст Дж., Харченко П.В., Херадпур П., Негре Н., Итон М.Л. и др. (Консорциум modENCODE) (декабрь 2010 г.). «Идентификация функциональных элементов и регуляторных цепей с помощью Drosophila modENCODE». Наука. 330 (6012): 1787–97. Bibcode:2010Научный ... 330.1787R. Дои:10.1126 / science.1198374. ЧВК 3192495. PMID 21177974.
  22. ^ Харченко П.В., Алексеенко А.А., Шварц Ю.Б., Минода А., Риддл Н.С., Эрнст Дж. И др. (Март 2011 г.). «Комплексный анализ хроматина у Drosophila melanogaster». Природа. 471 (7339): 480–5. Bibcode:2011Натура.471..480K. Дои:10.1038 / природа09725. ЧВК 3109908. PMID 21179089.
  23. ^ Кундаже А., Меулеман В., Эрнст Дж., Биленки М., Йен А., Херави-Муссави А. и др. (Консорциум Roadmap Epigenomics) (февраль 2015 г.). «Интегративный анализ 111 эталонных эпигеномов человека». Природа. 518 (7539): 317–30. Bibcode:2015Натура.518..317.. Дои:10.1038 / природа14248. ЧВК 4530010. PMID 25693563.
  24. ^ «IP-секвенирование всего генома хроматина (ChIP-Seq)» (PDF). Иллюмина. Получено 23 октября 2019.
  25. ^ «MAINE-Seq / Mnase-Seq». иллюмина. Получено 23 октября 2019.
  26. ^ Буэнростро Д.Д., Ву Б., Чанг Х.Й., Гринлиф ВДЖ (январь 2015 г.). «ATAC-seq: метод определения доступности хроматина для всего генома». Текущие протоколы в молекулярной биологии. 109: 21.29.1-21.29.9. Дои:10.1002 / 0471142727.mb2129s109. ISBN 9780471142720. ЧВК 4374986. PMID 25559105.
  27. ^ Шеп А.Н., Буэнростро Д.Д., Денни С.К., Шварц К., Шерлок Г., Гринлиф В.Дж. (ноябрь 2015 г.). «Структурированные отпечатки пальцев нуклеосом позволяют с высоким разрешением картировать архитектуру хроматина в регуляторных областях». Геномные исследования. 25 (11): 1757–70. Дои:10.1101 / гр.192294.115. ЧВК 4617971. PMID 26314830.
  28. ^ Песня Л., Crawford GE (февраль 2010 г.). «DNase-seq: метод с высоким разрешением для картирования активных регуляторных элементов гена в геноме из клеток млекопитающих». Протоколы Колд-Спринг-Харбор. 2010 (2): pdb.prot5384. Дои:10.1101 / pdb.prot5384. ЧВК 3627383. PMID 20150147.