H3K9me2 - H3K9me2

H3K9me2 является эпигенетический модификация белка упаковки ДНК Гистон H3. Это знак, указывающий на ди-метилирование на 9-м лизин остаток белка гистона H3. H3K9me2 прочно связан с репрессия транскрипции.[1][2][3] Уровни H3K9me2 выше в молчании по сравнению с активными генами в области 10 т.п.н., окружающей сайт старта транскрипции.[4] H3K9me2 пассивно подавляет экспрессию генов, запрещая ацетилирование[5] и, следовательно, привязка РНК-полимераза или его регуляторные факторы, и активно, путем привлечения репрессоров транскрипции.[6][7] H3K9me2 также был обнаружен в мегабазных блоках, называемых доменами K9 большого организованного хроматина (LOCKS), которые в основном расположены в областях с редкими генами, но также включают генные и межгенный интервалы.[8][9][10][11] Его синтез катализируется G9a, G9a-подобный белок, и PRDM2.[1][3][12] H3K9me2 может быть удален с помощью широкого ряда гистоновых лизин-деметилаз (KDM), включая членов семейства KDM1, KDM3, KDM4 и KDM7.[13][6] H3K9me2 важен для различных биологических процессов, включая клеточная линия обязательство,[10][14] перепрограммирование соматические клетки к индуцированные плюрипотентные стволовые клетки,[15] регулирование воспалительная реакция,[16][17] и зависимость к употреблению наркотиков.[2][18][19][20]

Номенклатура

H3K9me2 указывает диметилирование из лизин 9 на субъединице белка гистона H3:[21]

Сокр.Смысл
H3Семейство гистонов H3
Kстандартное сокращение для лизина
9положение аминокислотного остатка

(считая от N-конца)

мнеметильная группа
2количество добавленных метильных групп

Метилирование лизина

Метилирование-лизин

На этой диаграмме показано прогрессирующее метилирование остатка лизина. Диметилирование означает метилирование, присутствующее в H3K9me2.

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 расположения посттрансляционные модификации, например, в H3K9me2.[22][23]

Эпигенетические последствия

Посттрансляционная модификация гистоновых хвостов с помощью комплексов модификации гистонов или комплексов ремоделирования хроматина интерпретируется клеткой и приводит к сложному комбинаторному транскрипционному выходу. Считается, что гистоновый код диктует экспрессию генов за счет сложного взаимодействия между гистонами в определенной области.[24] Текущее понимание и интерпретация гистонов происходит из двух крупномасштабных проектов: КОДИРОВАТЬ и эпигеномная дорожная карта.[25] 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 исследовали в клетках дрозофилы, глядя на место связывания белков в геноме. Использование иммунопреципитация хроматина (ChIP) -секвенирование выявили участки в геноме, характеризующиеся различной полосатостью.[26] Различные стадии развития были профилированы и у Drosophila, акцент был сделан на актуальности модификации гистонов.[27] Анализ полученных данных привел к определению состояний хроматина на основе модификаций гистонов.[28] 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.

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. Состояние хроматина также полезно для идентификации регуляторных элементов, не имеющих определенной последовательности, таких как энхансеры. Этот дополнительный уровень аннотации позволяет глубже понять регуляцию клеточно-специфических генов.[29]

Клиническое значение

Зависимость

Смотрите также: Зависимость § Нейроэпигенетические механизмы

Хроническое употребление наркотиков приводит к ΔFosB -опосредованный подавление из G9a и снижение диметилирования H3K9 в прилежащее ядро, что, в свою очередь, вызывает дендритное ветвление, измененная экспрессия синаптического белка и повышенное поведение при поиске лекарств.[2][18] Напротив, гиперэкспрессия Accumbal G9a приводит к заметно усиленному диметилированию H3K9 и блокирует индукцию этого нервный и поведенческая пластичность при хроническом употреблении наркотиков,[2][19][20][30] который происходит посредством H3K9me2-опосредованной репрессии факторы транскрипции для ΔFosB и H3K9me2-опосредованной репрессии различных транскрипционных мишеней ΔFosB (например, CDK5 ).[2][18][19] Из-за участия H3K9me2 в этих петлях обратной связи и центральной патофизиологический роль ΔFosB чрезмерное выражение как механический спусковой крючок для зависимость,[2][31] Уменьшение прилежащей области H3K9me2 после многократного воздействия лекарств напрямую опосредует развитие наркозависимости.[18][19]

Атаксия Фридрейха

R-петля находятся с меткой H3K9me2 в FXN в Атаксия Фридрейха клетки.[32]

Сердечно-сосудистые заболевания

H3K9me2 присутствует в подмножестве сердечно-сосудистые заболевания -ассоциированные промоторы генов в гладкомышечные клетки сосудов[16] заблокировать привязку NFκB и АП-1 (протеин-активатор-1) факторы транскрипции.[16] Сниженные уровни H3K9me2 наблюдались в гладкомышечных клетках сосудов атеросклеротических поражений человека по сравнению со здоровой тканью аорты у пациентов.[33] Клетки гладких мышц сосудов от пациентов с диабетом демонстрируют пониженные уровни H3K9me2 по сравнению с контрольной группой, не страдающей диабетом; поэтому было высказано предположение, что нарушение регуляции H3K9me2 может лежать в основе сосудистых осложнений, связанных с диабетом.[34][35] Потеря H3K9me2 в гладкомышечных клетках сосудов усугубляет активацию подмножества генов, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями, в моделях сосудистых заболеваний.[16][34][36]

Методы

Модификации гистонов, в том числе H3K9me2, можно обнаружить с помощью различных методов:

  • Последовательность иммунопреципитации хроматина (ChIP-секвенирование ) измеряет количество обогащенной ДНК после связывания с целевым белком и иммунопреципитации. 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.[37]
  • CUT & RUN (расщепление под мишенями и высвобождение с помощью нуклеазы). В CUT & RUN целевые комплексы ДНК-белок выделяются непосредственно из ядра клетки, а не после стадии преципитации. Для выполнения CUT & RUN к проницаемым клеткам добавляют специфические антитела к интересующему ДНК-связывающему белку и ProtA-MNase. МНКаза привязана к интересующему белку посредством взаимодействия ProtA-антитело, а МНКаза расщепляет окружающую незащищенную ДНК, высвобождая комплексы белок-ДНК, которые затем можно выделить и секвенировать.[38][39] Сообщается, что CUT & RUN дает гораздо более высокое отношение сигнал / шум по сравнению с традиционным чипом. Таким образом, CUT & RUN требует одной десятой глубины секвенирования ChIP и позволяет геномное картирование модификаций гистонов и факторов транскрипции с использованием чрезвычайно малого числа клеток.[40][38][39]
  • Зонды внутриклеточных антител, специфичные для модификации. Чувствительные флуоресцентные генетически кодируемые зонды внутриклеточных антител (мятных антител), специфичных для модификации гистонов, можно использовать для мониторинга изменений в модификациях гистонов в живых клетках.[41]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б "H3K9me2". HIstome: информационная база по гистонам. Получено 8 июн 2018.
  2. ^ а б c d е ж Робисон А.Дж., Нестлер Э.Д. (октябрь 2011 г.). «Транскрипционные и эпигенетические механизмы зависимости». Обзоры природы. Неврология. 12 (11): 623–37. Дои:10.1038 / nrn3111. ЧВК  3272277. PMID  21989194.
    Рисунок 4: Эпигенетическая основа лекарственной регуляции экспрессии генов
  3. ^ а б Нестлер EJ (август 2015 г.). «Роль схемы вознаграждения мозга в депрессии: механизмы транскрипции». Международный обзор нейробиологии. 124: 151–70. Дои:10.1016 / bs.irn.2015.07.003. ЧВК  4690450. PMID  26472529. Стресс хронического социального поражения снижает экспрессию G9a и GLP (G9a-подобный белок), двух гистоновых метилтрансфераз, которые катализируют диметилирование Lys9 гистона H3 (H3K9me2) (Covington et al., 2011), метки, связанной с репрессией генов.
  4. ^ Barski A, Cuddapah S, Cui K, Roh T.Y, Schones DE, Wang Z и др. (Май 2007 г.). «Профилирование с высоким разрешением метилирования гистонов в геноме человека». Клетка. 129 (4): 823–37. Дои:10.1016 / j.cell.2007.05.009. PMID  17512414.
  5. ^ Wang Z, Zang C, Rosenfeld JA, Schones DE, Barski A, Cuddapah S и др. (Июль 2008 г.). «Комбинаторные паттерны ацетилирования и метилирования гистонов в геноме человека». Природа Генетика. 40 (7): 897–903. Дои:10,1038 / нг.154. ЧВК  2769248. PMID  18552846.
  6. ^ а б Синкай Ю., Татибана М. (апрель 2011 г.). «H3K9-метилтрансфераза G9a и родственная молекула GLP». Гены и развитие. 25 (8): 781–8. Дои:10.1101 / gad.2027411. ЧВК  3078703. PMID  21498567.
  7. ^ Чжан Т., Терманис А., Озкан Б., Бао XX, Калли Дж., Де Лима Алвес Ф. и др. (Апрель 2016 г.). «Комплекс G9a / GLP поддерживает метилирование импринтированной ДНК в эмбриональных стволовых клетках». Отчеты по ячейкам. 15 (1): 77–85. Дои:10.1016 / j.celrep.2016.03.007. ЧВК  4826439. PMID  27052169.
  8. ^ Филион Г.Дж., ван Стенсель Б. (январь 2010 г.). «Повторная оценка количества доменов хроматина H3K9me2 в эмбриональных стволовых клетках». Природа Генетика. 42 (1): 4, ответ автора 5–6. Дои:10.1038 / ng0110-4. PMID  20037608.
  9. ^ Макдональд О.Г., Ву Х., Тимп У., Дои А., Файнберг А.П. (июль 2011 г.). «Эпигенетическое репрограммирование на уровне генома во время перехода от эпителия к мезенхиме». Структурная и молекулярная биология природы. 18 (8): 867–74. Дои:10.1038 / nsmb.2084. ЧВК  3150339. PMID  21725293.
  10. ^ а б Вен Б., Ву Х, Синкай Ю., Иризарри Р. А., Фейнберг А. П. (февраль 2009 г.). «Большие блоки диметилированного гистона H3 лизина 9 хроматина отличают дифференцированные от эмбриональных стволовых клеток». Природа Генетика. 41 (2): 246–50. Дои:10,1038 / нг.297. ЧВК  2632725. PMID  19151716.
  11. ^ Йоргенсен Х.Ф., Fisher AG (март 2009 г.). "Блокировка потенциала сотовой связи". Стволовая клетка. 4 (3): 192–4. Дои:10.1016 / j.stem.2009.02.007. PMID  19265653.
  12. ^ «Гистон-лизин-N-метилтрансфераза, H3-лизин-9-специфическая 3». HIstome: информационная база по гистонам. Получено 8 июн 2018.
  13. ^ Cloos PA, Christensen J, Agger K, Helin K (май 2008 г.). «Стирание метильной метки: гистоновые деметилазы в центре клеточной дифференциации и болезни». Гены и развитие. 22 (9): 1115–40. Дои:10.1101 / gad.1652908. ЧВК  2732404. PMID  18451103.
  14. ^ Chen X, Skutt-Kakaria K, Davison J, Ou YL, Choi E, Malik P, et al. (Ноябрь 2012 г.). «Формирование паттерна G9a / GLP-зависимого гистона H3K9me2 во время фиксации линии гематопоэтических стволовых клеток». Гены и развитие. 26 (22): 2499–511. Дои:10.1101 / gad.200329.112. ЧВК  3505820. PMID  23105005.
  15. ^ Родригес-Мадос-младший, Сан-Хосе-Энериз Е., Рабал О., Сапата-Линарес Н., Миранда Е., Родригес С. и др. (2017). «Обратимый двойной ингибитор против G9a и DNMT1 улучшает образование ИПСК человека, увеличивая MET и облегчая взаимодействие факторов транскрипции с геномом». PLOS One. 12 (12): e0190275. Bibcode:2017PLoSO..1290275R. Дои:10.1371 / journal.pone.0190275. ЧВК  5744984. PMID  29281720.
  16. ^ а б c d Харман Дж. Л., Добникар Л., Чаппелл Дж., Стокелл Б. Г., Далби А., Фут К. и др. (Ноябрь 2019 г.). «Эпигенетическая регуляция гладкомышечных клеток сосудов с помощью диметилирования гистона H3, лизина 9, ослабляет индукцию целевого гена с помощью воспалительных сигналов». Артериосклероз, тромбоз и биология сосудов. 39 (11): 2289–2302. Дои:10.1161 / ATVBAHA.119.312765. ЧВК  6818986. PMID  31434493.
  17. ^ Fang TC, Schaefer U, Mecklenbrauker I, Stienen A, Dewell S, Chen MS и др. (Апрель 2012 г.). «Диметилирование лизина 9 гистона H3 как эпигенетическая характеристика интерферонового ответа». Журнал экспериментальной медицины. 209 (4): 661–9. Дои:10.1084 / jem.20112343. ЧВК  3328357. PMID  22412156.
  18. ^ а б c d Нестлер EJ (январь 2014 г.). «Эпигенетические механизмы наркозависимости». Нейрофармакология. 76 Pt B: 259–68. Дои:10.1016 / j.neuropharm.2013.04.004. ЧВК  3766384. PMID  23643695.
  19. ^ а б c d Билински П., Войтыла А., Капка-Скшипчак Л., Хведорович Р., Циранка М., Студзинский Т. (2012). «Эпигенетическая регуляция при наркозависимости». Анналы сельскохозяйственной и экологической медицины. 19 (3): 491–6. PMID  23020045.
  20. ^ а б Kennedy PJ, Feng J, Robison AJ, Maze I, Badimon A, Mouzon E, et al. (Апрель 2013). «Ингибирование HDAC класса I блокирует индуцированную кокаином пластичность за счет целенаправленных изменений метилирования гистонов». Природа Неврология. 16 (4): 434–40. Дои:10.1038 / №3354. ЧВК  3609040. PMID  23475113.
  21. ^ Хуанг, Суминг; Литт, Майкл Д .; Энн Блейки, К. (2015). Экспрессия и регуляция эпигенетических генов. С. 21–38. ISBN  9780127999586.
  22. ^ Рутенбург 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.
  23. ^ 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.
  24. ^ Jenuwein T, Allis CD (август 2001 г.). «Перевод гистонового кода». Наука. 293 (5532): 1074–80. Дои:10.1126 / science.1063127. PMID  11498575.
  25. ^ Бирни Э, Стаматояннопулос Ж.А., Датта А, Гиго Р., Джингерас Т.Р., Маргулиес 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.
  26. ^ 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.
  27. ^ 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.
  28. ^ 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.
  29. ^ 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.
  30. ^ Уолли К. (декабрь 2014 г.). «Психиатрические расстройства: подвиг эпигенетической инженерии». Обзоры природы. Неврология. 15 (12): 768–9. Дои:10.1038 / номер 3869. PMID  25409693.
  31. ^ Ruffle JK (ноябрь 2014 г.). «Молекулярная нейробиология зависимости: что такое (Δ) FosB?». Американский журнал злоупотребления наркотиками и алкоголем. 40 (6): 428–37. Дои:10.3109/00952990.2014.933840. PMID  25083822.
  32. ^ Ричард П., Мэнли Дж. Л. (октябрь 2017 г.). «Петли R и связь с болезнями человека». Журнал молекулярной биологии. 429 (21): 3168–3180. Дои:10.1016 / j.jmb.2016.08.031. ЧВК  5478472. PMID  27600412.
  33. ^ Greißel A, Culmes M, Napieralski R, Wagner E, Gebhard H, Schmitt M и др. (Август 2015 г.). «Чередование метилирования гистонов и ДНК в атеросклеротических каротидных бляшках человека». Тромбоз и гемостаз. 114 (2): 390–402. Дои:10.1160 / TH14-10-0852. PMID  25993995.
  34. ^ а б Чен Дж, Чжан Дж, Ян Дж, Сюй Л., Ху Кью, Сюй Ц. и др. (Февраль 2017). «Гистоновая деметилаза KDM3a, новый регулятор гладкомышечных клеток сосудов, контролирует сосудистую неоинтимальную гиперплазию у крыс с диабетом». Атеросклероз. 257: 152–163. Дои:10.1016 / j.atherosclerosis.2016.12.007. PMID  28135625.
  35. ^ Вильнёв Л.М., Редди М.А., Натараджан Р. (июль 2011 г.). «Эпигенетика: расшифровка ее роли в диабете и его хронических осложнениях». Клиническая и экспериментальная фармакология и физиология. 38 (7): 451–9. Дои:10.1111 / j.1440-1681.2011.05497.x. ЧВК  3123432. PMID  21309809.
  36. ^ Харман Дж. Л., Йоргенсен Х. Ф. (октябрь 2019 г.). «Роль гладкомышечных клеток в стабильности бляшек: терапевтический потенциал воздействия». Британский журнал фармакологии. 176 (19): 3741–3753. Дои:10.1111 / bph.14779. ЧВК  6780045. PMID  31254285.
  37. ^ «IP-секвенирование всего генома хроматина (ChIP-Seq)» (PDF). Иллюмина. Получено 23 октября 2019.
  38. ^ а б Скене П.Дж., Хеникофф С. (январь 2017 г.). «Эффективная направленная нуклеазная стратегия для картирования сайтов связывания ДНК с высоким разрешением». eLife. 6: e21856. Дои:10.7554 / eLife.21856. ЧВК  5310842. PMID  28079019.
  39. ^ а б Меерс М.П., ​​Брайсон Т., Хеникофф С. (16 мая 2019 г.). «Улучшенные инструменты анализа и профилирования хроматина CUT & RUN». bioRxiv: 569129. Дои:10.1101/569129.
  40. ^ Hainer SJ, Fazzio TG (апрель 2019 г.). «Профилирование хроматина высокого разрешения с помощью CUT & RUN». Текущие протоколы в молекулярной биологии. 126 (1): e85. Дои:10.1002 / cpmb.85. ЧВК  6422702. PMID  30688406.
  41. ^ Сато Ю., Мукаи М., Уэда Дж., Мураки М., Стасевич Т.Дж., Хорикоши Н. и др. (14 августа 2013 г.). «Генетически закодированная система для отслеживания модификации гистонов in vivo». Научные отчеты. 3 (1): 2436. Bibcode:2013НатСР ... 3Э2436С. Дои:10.1038 / srep02436. ЧВК  3743053. PMID  23942372.