H3K27me3 - H3K27me3

H3K27me3 je epigenetický modifikace obalového proteinu DNA Histon H3. Jedná se o značku, která označujemethylace na 27 lysin zbytek proteinu histonu H3.

Tato tri-methylace je spojena s downregulace blízkých genů prostřednictvím formování heterochromatický regionech.[1]

Nomenklatura

H3K27me3 označuje trimethylace z lysin 27 na histonové H3 proteinové podjednotce:

Zkr.Význam
H3Rodina histonů H3
K.standardní zkratka pro lysin
27pozice aminokyselina zbytek

(počítáno od N-konec )

měmethylová skupina
3počet přidaných methylových skupin

Methylace lysinu

Methylace-lysin

Tento diagram ukazuje progresivní methylaci lysinového zbytku. Tri-methylace označuje methylaci přítomnou v H3K27me3.

Porozumění histonovým úpravám

Genomová DNA eukaryotických buněk je obalena speciálními proteinovými molekulami známými jako Histony. Komplexy vytvořené smyčkováním DNA jsou známé jako Chromatin. Základní strukturní jednotkou chromatinu je Nukleosom: skládá se z jádra oktameru histonů (H2A, H2B, H3 a H4), stejně jako linkerového histonu a asi 180 párů bází DNA. Tyto základní histony jsou bohaté na zbytky lysinu a argininu. The karboxylový (C) koncový konec těchto histonů přispívá k interakcím histon-histon, stejně jako k interakcím histon-DNA. The amino (N) terminálně nabité ocasy jsou místem posttranslačních modifikací, jako jsou ty, které jsou vidět v H3K27me3.[2][3]

Mechanismus a funkce modifikace

Umístění represivní značky na lysin 27 vyžaduje nábor regulátorů chromatinu pomocí transkripční faktory. Tyto modifikátory jsou buď komplexy histonové modifikace, které kovalentně modifikují histony tak, aby se pohybovaly kolem nukleosomů a otevíraly chromatin, nebo komplexy remodelace chromatinu, které zahrnují pohyb nukleosomů bez jejich přímé modifikace.[4] Tyto histonové značky mohou sloužit jako dokovací místa jiných koaktivátorů, jak je vidět u H3K27me3. K tomu dochází prostřednictvím polycombu zprostředkovaného umlčení genu prostřednictvím methylace histonu a interakcí chromodomény. Polycomb represivní komplex (PRC); PRC2, zprostředkovává tri-methylaci histonu 3 na lysinu 27 aktivitou histon-methyltransferázy.[5] Tato známka může rekrutovat PRC1 který se váže a přispívá ke zhutnění chromatinu.[6]

H3K27me3 je spojen s oprava poškození DNA, zejména oprava dvouvláknových zlomů homologní rekombinace opravit.[7]

Vztah k jiným modifikacím

H3K27 může projít řadou dalších úprav. Může existovat v mono- i di-methylovaných skupinách. Role těchto příslušných modifikací nejsou tak dobře charakterizovány jako tri-methylace. Předpokládá se však, že PCR2 se účastní všech různých methylací spojených s H3K27me.

H3K27me1 souvisí s podporou transkripce a je vidět, že se hromadí v transkribovaných genech. V tomto procesu hrají roli interakce histon-histon. Regulace probíhá přes Setd2 závislé H3K36me3 depozice.[8]

H3K27me2 je široce distribuován v jádře histonu H3 a předpokládá se, že hraje ochrannou roli tím, že inhibuje nebuněčně specifické zesilovače. Nakonec to vede k deaktivaci transkripce.[9]

Acetylace je obvykle spojena s nadregulací genů. To je případ v H3K27ac což je značka aktivního zesilovače. Nachází se v distálních a proximálních oblastech genů. Je obohacen Úvodní stránky transkripce (TSS). H3K27ac sdílí polohu s H3K27me3 a interagují antagonistickým způsobem.

H3K27me3 je často vidět, že s ním interaguje H3K4me3 v bivalentních doménách.[10] Tyto domény se obvykle nacházejí v embryonálních kmenových buňkách a jsou klíčové pro správnou buněčnou diferenciaci. H3K27me3 a H3K4me3 určují, zda buňka zůstane nespecifikovaná nebo se bude nakonec odlišovat.[11][12] Gen Grb10 u myší využívá tyto bivalentní domény. Grb10 zobrazuje otištěnou genovou expresi. Geny jsou exprimovány z jedné rodičovské alely, zatímco jsou současně umlčovány v druhé rodičovské alele.[13]

Další dobře charakterizované modifikace jsou H3K9me3 stejně jako H4K20me 3, které - stejně jako H3K27me3 - jsou spojeny s transkripční represí tvorbou heterochromatických oblastí. Monometylace H3K27, H3K9 a H4K20 jsou spojeny s aktivací genu.[14]

Epigenetické důsledky

Posttranslační modifikace histonových ocasů buď komplexy modifikujícími histon nebo komplexy remodelace chromatinu jsou interpretovány buňkou a vedou ke komplexnímu kombinatorickému transkripčnímu výstupu. Předpokládá se, že a Histonový kód diktuje expresi genů komplexní interakcí mezi histony v konkrétní oblasti.[15] Současné chápání a interpretace histonů pochází ze dvou velkých projektů: ZAKÓDOVAT a epigenomický plán.[16] Účelem epigenomické studie bylo vyšetřit epigenetické změny v celém genomu. To vedlo ke stavům chromatinu, které definují genomové oblasti seskupením interakcí různých proteinů a / nebo modifikací histonů dohromady. Stavy chromatinu byly zkoumány v buňkách Drosophila zkoumáním vazebného místa proteinů v genomu. Použití Sekvenování čipů odhalené oblasti v genomu charakterizované různými pruhy.[17] Různá vývojová stadia byla profilována také v Drosophile, důraz byl kladen na význam modifikace histonu.[18] Pohled na získaná data vedl k definici stavů chromatinu na základě modifikací histonu.[19] Byly zmapovány určité modifikace a bylo pozorováno, že k obohacení dochází v určitých genomových oblastech. Bylo nalezeno pět základních histonových modifikací, přičemž každá z nich byla spojena s různými buněčnými funkcemi.

Lidský genom byl komentován stavy chromatinu. Tyto anotované stavy lze použít jako nové způsoby anotace genomu nezávisle na podkladové sekvenci genomu. Tato nezávislost na sekvenci DNA prosazuje epigenetickou povahu modifikací histonu. Chromatinové stavy jsou také užitečné při identifikaci regulačních prvků, které nemají definovanou sekvenci, jako jsou zesilovače. Tato další úroveň anotace umožňuje hlubší pochopení buněčné specifické regulace genů.[20]

Klinický význam

Předpokládá se, že H3K27me3 se podílí na některých onemocněních díky své regulaci jako represivní značky.

Cohen-Gibsonův syndrom

Cohen-Gibsonův syndrom je porucha spojená s přerůstáním a je charakterizována dysmorfickými rysy obličeje a variabilním mentálním postižením. V některých případech a de novo missense mutace v EED byl spojen se sníženými hladinami H3K27me3 ve srovnání s divokým typem. Tento pokles byl spojen se ztrátou aktivity PRC2.[21]

Poruchy spektra

Existují důkazy, které implikují downregulaci exprese H3K27me3 ve spojení s diferenciální expresí H3K4me3 A metylace DNA může hrát faktor v Porucha fetálního alkoholového spektra (FASD) u myší C57BL / 6J. Předpokládá se, že tento histonový kód ovlivňuje dráhu asociovanou s peroxisomy a indukuje ztrátu peroxisomů ke zlepšení oxidačního stresu.[22]

Metody

Histonovou značku H3K27me3 lze detekovat různými způsoby:

1. Sekvenování imunoprecipitace chromatinu (Sekvenování čipů ) měří množství obohacení DNA, jakmile je navázáno na cílový protein a imunoprecipitováno. Výsledkem je dobrá optimalizace a používá se in vivo k odhalení vazby DNA-protein vyskytující se v buňkách. ChIP-Seq lze použít k identifikaci a kvantifikaci různých fragmentů DNA pro různé modifikace histonu podél genomové oblasti.[23]

2. Sekvenování mikrokokových nukleáz (MNase-seq) se používá ke zkoumání oblastí, které jsou vázány dobře umístěnými nukleosomy. K identifikaci polohy nukleosomů se používá použití mikrokokokového nukleázového enzymu. Je vidět, že dobře umístěné nukleosomy mají obohacení sekvencí.[24]

3. Stanovení sekvenování chromatinu přístupného pro transposázu (ATAC-seq ) slouží k průzkumu oblastí, které neobsahují nukleosomy (otevřený chromatin). Používá hyperaktivní Transpozon Tn5 zvýraznit lokalizaci nukleosomů.[25][26][27]

Viz také

Reference

  1. ^ Ferrari KJ, Scelfo A, Jammula S, Cuomo A, Barozzi I, Stützer A, Fischle W, Bonaldi T, Pasini D (leden 2014). „Polycomb-dependentní H3K27me1 a H3K27me2 regulují aktivní transkripci a věrnost enhanceru“. Molekulární buňka. 53 (1): 49–62. doi:10.1016 / j.molcel.2013.10.030. PMID  24289921.
  2. ^ Ruthenburg AJ, Li H, Patel DJ, Allis CD (prosinec 2007). "Multivalentní zapojení úprav chromatinu spojenými vazebnými moduly". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 8 (12): 983–94. doi:10.1038 / nrm2298. PMC  4690530. PMID  18037899.
  3. ^ Kouzarides T (únor 2007). "Úpravy chromatinu a jejich funkce". Buňka. 128 (4): 693–705. doi:10.1016 / j.cell.2007.02.005. PMID  17320507.
  4. ^ Strahl BD, Allis CD (leden 2000). "Jazyk kovalentních modifikací histonu". Příroda. 403 (6765): 41–5. Bibcode:2000Natur.403 ... 41S. doi:10.1038/47412. PMID  10638745.
  5. ^ Ku M, Koche RP, Rheinbay E, Mendenhall EM, Endoh M, Mikkelsen TS, Presser A, Nusbaum C, Xie X, Chi AS, Adli M, Kasif S, Ptaszek LM, Cowan CA, Lander ES, Koseki H, Bernstein BE (Říjen 2008). „Genomewide analysis of PRC1 and PRC2 obsazenost identifikuje dvě třídy bivalentních domén“. PLoS Genetics. 4 (10): e1000242. doi:10.1371 / journal.pgen.1000242. PMC  2567431. PMID  18974828.
  6. ^ Sanz LA, Chamberlain S, Sabourin JC, Henckel A, Magnuson T, Hugnot JP, Feil R, Arnaud P (říjen 2008). „Mono alelická dvojmocná chromatinová doména řídí tkáňově specifické otisky na Grb10“. Časopis EMBO. 27 (19): 2523–32. doi:10.1038 / emboj.2008.142. PMC  2567399. PMID  18650936.
  7. ^ Wei S, Li C, Yin Z, Wen J, Meng H, Xue L, Wang J (2018). „Methylace histonu v opravě DNA a v klinické praxi: nové poznatky za posledních 5 let“. J. Rakovina. 9 (12): 2072–2081. doi:10,7150 / jca.23427. PMC  6010677. PMID  29937925.
  8. ^ Edmunds JW, Mahadevan LC, Clayton AL (leden 2008). „Dynamická methylace histonu H3 během genové indukce: HYPB / Setd2 zprostředkovává veškerou trimethylaci H3K36“. Časopis EMBO. 27 (2): 406–20. doi:10.1038 / sj.emboj.7601967. PMC  2168397. PMID  18157086.
  9. ^ Jones, Peter A .; Archer, Trevor K .; Baylin, Stephen B .; Beck, Stephan; Berger, Shelley; Bernstein, Bradley E .; Carpten, John D .; Clark, Susan J .; Costello, Joseph F .; Doerge, Rebecca W .; Esteller, Manel; Feinberg, Andrew P .; Gingeras, Thomas R .; Skutečně, John M .; Henikoff, Steven; Herman, James G .; Jackson-Grusby, Laurie; Jenuwein, Thomas; Jirtle, Randy L .; Kim, Young-Joon; Laird, Peter W .; Lim, Bing; Martienssen, Robert; Polyak, Kornelia; Stunnenberg, Henk; Tlsty, Thea Dorothy; Tycko, Benjamin; Ushijima, Toshikazu; Zhu, Jingde; et al. (Srpen 2008). „Přesun dopředu s mezinárodním projektem lidského epigenomu“. Příroda. 454 (7205): 711–5. Bibcode:2008Natur.454..711J. doi:10.1038 / 454711a. PMC  6528477. PMID  18685699.
  10. ^ Meissner A, Mikkelsen TS, Gu H, Wernig M, Hanna J, Sivachenko A, Zhang X, Bernstein BE, Nusbaum C, Jaffe DB, Gnirke A, Jaenisch R, Lander ES (srpen 2008). „Mapy metylace DNA v genomu pluripotentních a diferencovaných buněk“. Příroda. 454 (7205): 766–70. Bibcode:2008 Natur.454..766M. doi:10.1038 / nature07107. PMC  2896277. PMID  18600261.
  11. ^ Bernstein BE, Mikkelsen TS, Xie X, Kamal M, Huebert DJ, Cuff J, Fry B, Meissner A, Wernig M, Plath K, Jaenisch R, Wagschal A, Feil R, Schreiber SL, Lander ES (duben 2006). "Bivalentní chromatinová struktura označuje klíčové vývojové geny v embryonálních kmenových buňkách". Buňka. 125 (2): 315–26. doi:10.1016 / j.cell.2006.02.041. PMID  16630819.
  12. ^ Huang J, Fan T, Yan Q, Zhu H, Fox S, Issaq HJ, Best L, Gangi L, Munroe D, Muegge K (2004). „Lsh, epigenetický strážce opakujících se prvků“. Výzkum nukleových kyselin. 32 (17): 5019–28. doi:10.1093 / nar / gkh821. PMC  521642. PMID  15448183.
  13. ^ Blagitko N, Mergenthaler S, Schulz U, Wollmann HA, Craigen W, Eggermann T, Ropers HH, Kalscheuer VM (červenec 2000). „Lidský GRB10 je otiskován a exprimován z otcovské a mateřské alely vysoce specifickým způsobem pro tkáně a izoformy“. Lidská molekulární genetika. 9 (11): 1587–95. doi:10,1093 / hmg / 9.11.1587. PMID  10861285.
  14. ^ Barski A, Cuddapah S, Cui K, Roh TY, Schones DE, Wang Z, Wei G, Chepelev I, Zhao K (květen 2007). „Profilování methylací histonu v lidském genomu s vysokým rozlišením“. Buňka. 129 (4): 823–37. doi:10.1016 / j.cell.2007.05.009. PMID  17512414.
  15. ^ Jenuwein T, Allis CD (srpen 2001). "Překlad histonového kódu". Věda. 293 (5532): 1074–80. doi:10.1126 / science.1063127. PMID  11498575.
  16. ^ Birney E, Stamatoyannopoulos JA, Dutta A, Guigó R, Gingeras TR, Margulies EH, et al. (Konsorcium projektu ENCODE) (červen 2007). „Identifikace a analýza funkčních prvků v 1% lidského genomu pilotním projektem ENCODE“. Příroda. 447 (7146): 799–816. Bibcode:2007Natur.447..799B. doi:10.1038 / nature05874. PMC  2212820. PMID  17571346.
  17. ^ Filion GJ, van Bemmel JG, Braunschweig U, Talhout W, Kind J, Ward LD, Brugman W, de Castro IJ, Kerkhoven RM, Bussemaker HJ, van Steensel B (říjen 2010). „Systematické mapování polohy proteinu odhaluje pět hlavních typů chromatinu v buňkách Drosophila“. Buňka. 143 (2): 212–24. doi:10.1016 / j.cell.2010.09.009. PMC  3119929. PMID  20888037.
  18. ^ Roy S, Ernst J, Kharchenko PV, Kheradpour P, Negre N, Eaton ML a kol. (modENCODE Consortium) (prosinec 2010). "Identifikace funkčních prvků a regulačních obvodů pomocí Drosophila modENCODE". Věda. 330 (6012): 1787–97. Bibcode:2010Sci ... 330.1787R. doi:10.1126 / science.1198374. PMC  3192495. PMID  21177974.
  19. ^ Kharchenko PV, Alekseyenko AA, Schwartz YB, Minoda A, Riddle NC, Ernst J a kol. (Březen 2011). "Komplexní analýza krajiny chromatinu v Drosophila melanogaster". Příroda. 471 (7339): 480–5. Bibcode:2011 Natur.471..480K. doi:10.1038 / nature09725. PMC  3109908. PMID  21179089.
  20. ^ Kundaje A, Meuleman W, Ernst J, Bilenky M, Yen A, Heravi-Moussavi A, Kheradpour P, Zhang Z a kol. (Roadmap Epigenomics Consortium) (únor 2015). „Integrativní analýza 111 referenčních lidských epigenomů“. Příroda. 518 (7539): 317–30. Bibcode:2015Natur.518..317.. doi:10.1038 / příroda14248. PMC  4530010. PMID  25693563.
  21. ^ Imagawa E, Higashimoto K, Sakai Y, Numakura C, Okamoto N, Matsunaga S a kol. (Červen 2017). „Mutace v genech kódujících polykombový represivní komplex 2 podjednotek způsobují Weaverův syndrom“. Lidská mutace. 38 (6): 637–648. doi:10,1002 / humu.23200. PMID  28229514.
  22. ^ Chater-Diehl EJ, Laufer BI, Castellani CA, Alberry BL, Singh SM (2. května 2016). „Změna genové exprese, methylace DNA a methylace histonu ve volných radikálových zachytávacích sítích u dospělého myšího hipokampu po expozici fetálnímu alkoholu“. PLOS ONE. 11 (5): e0154836. Bibcode:2016PLoSO..1154836C. doi:10.1371 / journal.pone.0154836. PMC  4852908. PMID  27136348.
  23. ^ „Chromatinové IP sekvenování celého genomu (ChIP-Seq)“ (PDF). Illumina. Citováno 23. října 2019.
  24. ^ „MAINE-Seq / Mnase-Seq“. osvětlení. Citováno 23. října 2019.
  25. ^ Buenrostro, Jason D .; Wu, Peking; Chang, Howard Y .; Greenleaf, William J. (2015). „ATAC-seq: Metoda pro stanovení dostupnosti chromatinu v celém genomu“. Současné protokoly v molekulární biologii. 109: 21.29.1–21.29.9. doi:10.1002 / 0471142727.mb2129s109. PMC  4374986. PMID  25559105.
  26. ^ Schep, Alicia N .; Buenrostro, Jason D .; Denny, Sarah K .; Schwartz, Katja; Sherlock, Gavin; Greenleaf, William J. (2015). „Strukturované otisky nukleosomů umožňují mapování chromatinové architektury ve vysokém rozlišení v regulačních oblastech“. Výzkum genomu. 25 (11): 1757–1770. doi:10,1101 / gr.192294.115. ISSN  1088-9051. PMC  4617971. PMID  26314830.
  27. ^ Song, L .; Crawford, G. E. (2010). „DNase-seq: Technika s vysokým rozlišením pro mapování aktivních genových regulačních prvků napříč genomem z savčích buněk“. Cold Spring Harbor Protocols. 2010 (2): pdb.prot5384. doi:10.1101 / pdb.prot5384. ISSN  1559-6095. PMC  3627383. PMID  20150147.