组蛋白及变体在染色质重塑中的功能:以水生动物精子发生为例

两性生殖中,精子作为携带父本信息的载体,是物种延续的关键因素。精子发生经历精原细胞、初级和次级精母细胞、圆形精子、成熟精子阶段。在圆形精子形成成熟精子过程中,染色质进行重塑,细胞形态发生剧烈变化,其中,组蛋白修饰和组蛋白变体在这些过程中发挥了重要作用:如甲基化主要与基因表达的激活或抑制有关;乙酰化激活转录活性并参与组蛋白沉积和DNA修复;磷酸化促进转录后修饰或参与DNA双链断裂修复;泛素化调节不同细胞途径中各式各样的蛋白质底物。组蛋白变体在调节染色体结构中发挥重要功能:如组蛋白H1变体在分化过程中具有抑制转录的作用;组蛋白H2A和H2B变体在精子染色质包装过程中发挥特有功能;H3.3是H3最重要的变体,在细胞周期的各时期都有表达;组蛋白H4则是进化最慢的组蛋白之一,目前还没有发现其组蛋白变体。本文围绕组蛋白翻译后修饰,梳理了甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等方面的最新进展和组蛋白变体在染色质重塑过程中的功能研究进展,随后针对各类组蛋白变体及其功能进行了总结,最后以半滑舌鳎(Cynoglossus semilaevis)为例简要介绍这些研究对水生动物精子发生的启示。

染色质修饰和组蛋白修饰在成骨分化中的作用

背景:成骨分化是骨组织工程研究中的重要组成部分。染色质修饰和组蛋白修饰在成骨分化过程中的作用日益受到重视。其中甲基化和乙酰化是染色质修饰和组蛋白修饰的重要方式,也是目前骨组织工程研究中的热点问题。目的:阐述甲基化和乙酰化对成骨分化过程的影响,揭示其在染色质和组蛋白修饰中的作用机制,总结在骨内染色质和组蛋白修饰中的作用及其相关疾病。方法:由计算机检索2007年1月至2016年5月Pub Med数据库相关文章,检索词为"osteogenesis,methylation,acetylation,epigenetics",语言设定为英文,检索文献类型为研究原著。按纳入和排除标准对文献进行筛选,分别对DNA甲基化及其生物调节、组蛋白翻译后的甲基化和乙酰化修饰及其调控、骨内DNA修饰和组蛋白修饰及其相关疾病等几个方面加以归纳和总结。结果与结论:(1)检索文献总计102篇,排除与检索主题关联性小、重复性文献,最终纳入符合标准文献42篇;(2)综述结果揭示,甲基化和乙酰化是重要的染色质和组蛋白修饰方式,在成骨分化过程中具有重要作用;(3)骨源性基因的染色质和组蛋白修饰呈现动态化和特异性表现;(4)DNA甲基化利于基因沉默,组蛋白乙酰化利于成骨细胞相关基因表达,它们在细胞呈递和表观信息遗传中扮演了重要角色。

精细胞中促进组蛋白-鱼精蛋白替换的分子机制研究进展

在精子形成过程中,圆形精子细胞核内染色质中的组蛋白逐渐被鱼精蛋白替代,使染色质凝聚得更为紧凑,奠定成熟精子头部特异形态的结构基础。若组蛋白-鱼精蛋白替换缺陷,将导致精子核凝聚失败,表现出精子形态异常和活力降低,受精困难。研究显示,组蛋白翻译后修饰、瞬时DNA链断裂、DNA链断裂修复和染色质重塑复合体识别等一系列变化都会促进组蛋白-鱼精蛋白的替换,本文从以上几个方面综述了目前对于促进组蛋白-鱼精蛋白替换分子机制的研究进展,以期为雄性不育症的诊断和治疗提供理论基础。

基底刚度调控的组蛋白修饰和染色质重构

目的探究基底刚度调控组蛋白修饰与染色质重构的动态变化规律和相应机制.方法基于荧光共振能量转移(FRET)技术,开发并表征具有高灵敏度和高特异性的FRET探针,用于组蛋白甲基化及核纤层蛋白磷酸化的活细胞成像。针对不同种类的细胞制备不同基底刚度的PAA水凝胶,FRET活细胞影像对不同基底刚度和时间点的核纤层蛋白磷酸化及组蛋白修饰进行实时动态研究。进一步采用蛋白免疫沉淀和磷酸化蛋白质谱筛选磷酸化的核纤层蛋白和染色质结合蛋白。

组蛋白乙酰化/去乙酰化与染色质结构及基因转录调控的关系

在真核生物中,组蛋白是染色质基本结构——核小体中的重要组成部分,其N末端氨基酸残基可发生乙酰化等共价修饰。组蛋白的乙酰化是一可逆的动态过程,而其稳定状态的维持则是多种组蛋白乙酰基转移酶(HATs)和去乙酰基酶(HDACs)共同作用的结果。这种可逆的乙酰化修饰作用可使染色质结构发生动态的改变,并对基因的转录产生相应的影响。

生肌素引起组蛋白H3和H4高度乙酰化及染色质溶解性增加

为研究生肌素在染色质重建过程中的作用 ,采用生肌素真核表达载体转染C2C12肌细胞 ,细胞核经微球菌核酸酶消化后 ,提取DNA进行SDS PAGE分析 .生肌素转染的细胞 ,其核小体 (染色质 )在Mg2 + 溶液中的溶解性明显增加 ,提示染色质组蛋白乙酰化程度提高 .组蛋白经TAU SDS(2 D)双相凝胶电泳分析 ,发现在转染生肌素真核表达载体 2 4h后 ,组蛋白H4的乙酰化修饰程度最高 .采用抗乙酰化组蛋白H3和H4抗体进行的Western印迹分析进一步证明了乙酰化的发生 .上述变化与染色质的活跃程度相关 .RT PCR结果显示 ,生肌素的靶基因烟碱样乙酰胆碱受体 (nAChR)α亚基和肌酸激酶 (MCK)基因在转染后表达水平提高 .结果提示 ,强制性表达外源性生肌素可引起肌细胞核染色质重建 。

组蛋白修饰及其生物学效应

组蛋白是染色质的主要成分之一,其氨基端的氨基酸残基可以被共价修饰,进而改变染色质构型,导致转录激活或基因沉默。组蛋白修饰除了简单地调控基因表达,更在于它可以招募蛋白复合体,影响下游蛋白,从而参与细胞分裂、细胞凋亡和记忆形成,甚至影响免疫系统和炎症反应等。不仅如此,最近的研究表明,组蛋白修饰与CTD密码、生物节律、DNA修复之间也存在一定的联系。这些发现证明了组蛋白修饰的重要性。在组蛋白的密码形成与密码破译、修饰级联与招募蛋白质过程中,蛋白复合体的特殊结构域起到的中介作用都是无法替代的。因此,这些特殊结构域将是了解"组蛋白密码"的关键。目前质谱分析等技术的广泛应用,正使得许多新的结构域不断被发现。文章旨在对组蛋白密码的基本内容作一述评,同时对可能的研究热点进行展望。

慢性支气管哮喘小鼠肺组织中组蛋白H3乙酰化修饰增强

目的探讨组蛋白乙酰化修饰与慢性哮喘小鼠气道炎症、气道重塑和气道高反应的关系。方法 BALB/C小鼠分为正常组和哮喘组,12只/组。肺功能评价气道反应性,HE染色观察气道炎症浸润,AB-PAS染色观察气道粘液腺化生,Masson染色观察气道胶原沉积,免疫组织化学染色观察气道平滑肌增生,Western blot测定组蛋白不同乙酰化位点的乙酰修饰水平。结果在哮喘小鼠肺组织中,气道血管周围大量炎症细胞浸润;气道上皮阳性染色增加,黏液高分泌;上皮下胶原沉积并纤维化;气道平滑肌细胞增殖。Western blot显示哮喘小鼠肺组织组蛋白H3上不同乙酰化位点乙酰化修饰水平明显增加。结论组蛋白乙酰化修饰可能参与慢性哮喘小鼠气道炎症、气道重塑和气道高反应过程。

核小体及染色质修饰的基因组分布模式和染色质状态

染色质是真核DNA的存在方式,可以通过影响DNA的可及性调节基因转录,其基本单元为核小体,系由约147 bp的DNA缠绕在组蛋白八联体上形成的结构,核小体之间以连接DNA相连.核小体组蛋白上能发生甲基化和乙酰化等化学修饰.核小体位置、DNA的甲基化和组蛋白的修饰等对染色质状态(常染色质或异染色质)及基因组之间的长程相互作用有重要影响.近年,基于高通量测序技术,核小体位置和染色质修饰在多种细胞中的基因组分布已被测定.结果显示,这些标记的分布模式具有位点特异、动态变化、相互偶联和高度复杂的特征.本文详细回顾并评述了核小体位置和染色质修饰的分布模式、对应生物学功能、修饰之间的关联、实验测定技术、染色质状态的计算分析等内容.该工作对于深入认识和理解染色质的表观遗传调节机制有重要意义.

依赖ATP的染色质物理修饰

染色质重塑是基因表达调控过程中一个非常重要的环节 .染色质重塑主要包括 2种类型 :一种是依赖ATP的物理修饰 ,另一种是依赖共价结合反应的化学修饰 .依赖ATP的物理修饰主要是利用ATP水解释放的能量 ,使DNA超螺旋旋矩和旋相发生变化 ,使转录因子更易接近并结合核小体DNA 。

miR-338-3p在恶性肿瘤中的表达异常及其表观遗传组蛋白的修饰位点

目的探讨不同种类肿瘤中miR-338-3p表达谱及其表达异常的表观遗传修饰调控机制。方法生物信息学大数据库(TCGA Pan-Cancer)分析miR-338-3p在15种不同种类肿瘤组织中的表达谱;以胃癌为研究对象,分析数据库中45例正常胃组织和366例胃癌组织中miR-338-3p表达情况;CRCH37数据库预测miR-338-3p上游启动子区组蛋白修饰位点;利用染色质免疫共沉淀获取组蛋白结合的DNA,PCR扩增miR-338-3p启动子区片段,凝胶电泳验证PCR产物。结果 miR-338-3p在包括食道癌(ESCA)等不同种类肿瘤中表达异常,其中ESCA、头颈部鳞状细胞癌(HNSC)、肾嫌色细胞癌(KICH)、肾乳头状肾细胞癌(KIRP)、肺鳞癌(LUSC)和甲状腺癌(THCA)中表达显著下调(P<0.05),而在结肠腺癌(COAD)、肾透明细胞癌(KIRC)和肝细胞肝癌(LIHC)表达显著上调(P<0.05);366例胃癌组织中miR-338-3p表达普遍下调;染色质免疫共沉淀结合PCR证实组蛋白H3K9m2和H3K4m3是可能引起miR-338-3p下调的两个修饰位点。结论 miR-338-3p在胃癌中表达下调,组蛋白H3K9和H3K4甲基化修饰是潜在原因。

染色质重塑在白血病发病和治疗中的意义

局部染色质重塑是多种增殖分化相关基因表达的重要调控机制 ,组蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶是参与该调控机制的两种关键酶。研究表明 ,多种白血病基因异常是通过直接影响参与染色质修饰的蛋白酶而发挥致病作用的 。

表观遗传之染色质重塑

真核细胞中的染色质重塑因子种类繁多,多数以蛋白多聚体的形式存在于细胞中.不同的染色质重塑因子在特定时间定位于特定的核小体上,通过改变染色质结构,影响基因转录活性,进而确保细胞内各种生物学过程的正确运行.另外,染色质重塑因子根据所含功能结构域的不同,大致分为SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80四大家族,不同的染色质重塑因子之间既有蛋白质结构和酶活性的相似性,各自又有其特异性.本综述的宗旨在于全面概括和总结染色质重塑因子的分类、结构特点以及其在细胞内的生物学功能,为深入研究染色质重塑因子的生物学功能,尤其是在发育和疾病发生中的作用机制提供理论基础.

低温压力对ZF4细胞组蛋白修饰的影响

为探索低温压力对斑马鱼细胞组蛋白修饰的影响,建立并优化使用斑马鱼(Danio rerio)成纤维细胞ZF4进行染色质免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation, ChIP)的条件。本研究分别优化了ChIP过程中裂解细胞所使用的NP-40浓度、超声破碎的时间,确定了最佳NP-40浓度为0.2%,超声时间为20 min。利用针对β-actin启动子区域的引物,通过常规PCR初步验证ChIP实验是否成功。琼脂糖凝胶电泳结果显示, IgG组常规PCR产物基本无条带,H3K27me3组条带较暗, H3K4me3和H3K27ac组有较亮条带,初步说明实验可靠。使用正常培养(28℃)与长期低温驯化(18℃, 30 d)的斑马鱼成纤维细胞ZF4作为实验材料,通过优化之后的ChIP技术进行实验。分别使用qPCR和ChIP-qPCR检测低温驯化对肿瘤坏死因子b(tumor necrosis factor b,tnfb)基因表达以及其启动子区域H3K4me3、H3K27ac、H3K27me3的影响。qPCR结果显示tnfb基因经过低温驯化后上调,而ChIP-qPCR结果显示,tnfb基因启动子区域的H3K4me3、H3K27ac富集度也出现升高, H3K27me3没有明显变化,提示低温压力可能通过影响tnfb基因启动子区域的H3K4me3、H3K27ac水平来调控tnfb基因的表达。本研究建立并优化的ChIP实验条件可以用来研究ZF4细胞组蛋白修饰变化,为下一步探索低温压力对斑马鱼细胞全基因组组蛋白修饰的影响奠定基础。

组蛋白修饰对炎症反应的调控

表观遗传学（epigenetics）是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下,基因的表达水平与功能发生改变,并产生可遗传表型的遗传现象。表观遗传学的研究内容主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控等。

哺乳动物合子基因激活时期染色体的表观遗传学变化

哺乳动物受精后,胚胎由母源因子调控逐渐转变为合子型调控,表达合子转录本,即合子基因激活(zygotic gene activation,ZGA)。其间发生了剧烈的表观遗传学变化,如组蛋白修饰、DNA甲基化重编程以及染色质重塑等。表观遗传学重塑的异常可导致严重的发育缺陷,甚至胚胎致死。因此,了解ZGA过程中的表观遗传学变化对于明确其致病机制至关重要。本文综述了哺乳动物合子基因激活时期DNA甲基化重编程、组蛋白修饰以及染色质重塑3个方面的最新研究进展,以期为深入探究哺乳动物合子基因激活时期染色体的表观遗传变化提供参考。

染色质修饰酶在记忆中的作用

学习记忆的形成依赖于转录机制.近年研究发现,染色质修饰在基因表达调节中起重要作用.组蛋白乙酰化和去乙酰化是染色质修饰中最为常见调节方式,参与基因的转录调控.乙酰化可以激活转录,促进记忆的形成.组蛋白去乙酰化酶抑制剂可以增强突触可塑性,改善记忆损伤.因此,对于染色质修饰的深入研究,不仅有助于阐明记忆形成的分子机制,而且对记忆相关疾病的治疗以及新药物研发也具有重要指导意义.本文主要就组蛋白乙酰转移酶调节基因转录以及组蛋白去乙酰化酶抑制剂促进记忆形成的作用机理进行综述.

哺乳动物合子基因组激活过程中的染色质重塑

哺乳动物受精后,终末分化的卵子和精子结合并转变为具有全能性的受精卵,从而产生胚胎。胚胎发育最初由卵母细胞储存的基因产物指导,然后完成由母源到合子的过渡(maternal-to-zygotic transition,MZT)。母源mRNA逐渐被降解,合子基因组开始转录,合子的发育由自身调控。伴随着胚胎发育的进行,表观基因组经历了剧烈的重编程,表观遗传修饰在胚胎发育过程起到重要调控作用。其中,染色质重塑是指开放(转录激活)和关闭(转录抑制或沉默)染色质结构之间的动态变化。核小体在染色质上的不均匀分布导致基因组不同区域的松散程度不同,染色质可及性高的区域比较松散,易与转录因子结合,通常是重要的调控区域。染色质重塑通过调节DNA结合蛋白的基因组可及性,参与合子基因表达的调控,在合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)过程中起到重要作用。作者讨论了伴随ZGA的整体染色质结构(和局部染色质可及性)的变化,以及它们在ZGA中的作用,为深入理解合子基因表达的调控机制提供参考。

拟南芥基因组水平组蛋白修饰与基因表达

组蛋白修饰包括组蛋白磷酸化、乙酰化、甲基化、ADP-核糖基化等过程,这一修饰为相关调控蛋白提供其在组蛋白上的附着位点,改变染色质结构和活性,因此尤为重要,近年来也成为了研究热点。

组蛋白磷酸化的机制及其作用研究进展

组蛋白磷酸化是组蛋白修饰方式之一,属表观遗传修饰的一种。各种不同亚型的组蛋白磷酸化分别参与了基因转录、DNA修复、细胞凋亡及染色体浓缩等过程,与组蛋白的乙酰化等其他修饰方式一起在细胞的生长、分裂等一系列生命活动中起调控作用。