H3K4me3
H3K4me3 jest epigenetyczną modyfikacją białka pakującego DNA, histonu H3, która wskazuje na trimetylację czwartej reszty lizyny białka histonu H3 i często bierze udział w regulacji ekspresji genów . Nazwa oznacza dodanie trzech grup metylowych ( trimetylacja ) do lizyny 4 na białku histonowym H3 .
H3 jest używany do pakowania DNA w komórkach eukariotycznych (w tym w komórkach ludzkich), a modyfikacje histonów zmieniają dostępność genów do transkrypcji. H3K4me3 jest powszechnie związany z aktywacją transkrypcji pobliskich genów. Trimetylacja H3K4 reguluje ekspresję genów poprzez przebudowę chromatyny przez kompleks NURF . To sprawia, że DNA w chromatynie jest bardziej dostępne dla czynników transkrypcyjnych , umożliwiając transkrypcję genów i wyrażane w komórce. Dokładniej, stwierdzono, że H3K4me3 pozytywnie reguluje transkrypcję, wprowadzając acetylazy histonowe i enzymy przebudowy nukleosomów (NURF). H3K4me3 odgrywa również ważną rolę w regulacji genetycznej siły i linii komórek macierzystych . Dzieje się tak, ponieważ ta modyfikacja histonów występuje częściej w obszarach DNA związanych z rozwojem i ustalaniem tożsamości komórki.
Nomenklatura
H3K4me1 wskazuje na monometylację lizyny 4 na podjednostce białka histonu H3:
| Skr. | Oznaczający |
| H3 | Rodzina histonów H3 |
| k | standardowy skrót lizyny |
| 4 | pozycja reszty aminokwasowej (licząc od N-końca) |
| Ja | grupa metylowa |
| 1 | liczba dodanych grup metylowych |
Metylacja lizyny
Ten diagram przedstawia postępującą metylację reszty lizyny. Tri-metylacja oznacza metylację obecną w H3K4me3.
Modyfikacja H3K4me3 jest tworzona przez specyficzną dla lizyny metylotransferazę histonową (HMT) przenoszącą trzy grupy metylowe do histonu H3. H3K4me3 jest metylowany przez kompleksy metylotransferazy zawierające białko WDR5 , które zawiera motyw białka powtórzeń WD40 . WDR5 wiąże się specyficznie z dimetylowanym H3K4 i umożliwia dalszą metylację przez metylotransferazy, umożliwiając tworzenie i odczyt modyfikacji H3K4me3. Wykazano, że aktywność WDR5 jest wymagana dla genów rozwojowych, takich jak geny Hox , które są regulowane przez metylację histonów.
Marker epigenetyczny
H3K4me3 jest powszechnie stosowaną modyfikacją histonów. H3K4me3 jest jedną z najmniej rozpowszechnionych modyfikacji histonów; jest jednak silnie wzbogacony w aktywne promotory w pobliżu miejsc startu transkrypcji (TSS) i dodatnio skorelowany z transkrypcją. H3K4me3 jest używany jako kod histonowy lub znak histonowy w badaniach epigenetycznych (zwykle identyfikowanych przez immunoprecypitację chromatyny ) w celu identyfikacji aktywnych promotorów genów .
H3K4me3 promuje aktywację genów poprzez działanie kompleksu NURF, kompleksu białkowego, który działa poprzez motyw białkowy palca PHD w celu przebudowy chromatyny. To sprawia, że DNA w chromatynie jest dostępne dla czynników transkrypcyjnych , umożliwiając transkrypcję i ekspresję genów w komórce.
Zrozumienie modyfikacji histonów
Genomowy DNA komórek eukariotycznych jest owinięty wokół specjalnych cząsteczek białka znanych jako histony . Kompleksy utworzone przez zapętlenie DNA są znane jako chromatyna . Podstawową jednostką strukturalną chromatyny jest nukleosom : składa się on z oktameru rdzeniowego histonów (H2A, H2B, H3 i H4), jak również histonu łącznikowego i około 180 par zasad DNA. Te rdzeniowe histony są bogate w reszty lizyny i argininy. Karboksylowy (C) końcowy koniec tych histonów przyczynia się do interakcji histon-histon, jak również interakcji histon-DNA. Naładowane ogony aminowe (N) są miejscem modyfikacji potranslacyjnych, takich jak ta widoczna w H3K4me1.
Rola w komórkach macierzystych i embriogenezie
Regulacja ekspresji genów przez H3K4me3 odgrywa znaczącą rolę w określaniu losu komórek macierzystych i wczesnym rozwoju zarodka. Komórki pluripotencjalne mają charakterystyczne wzorce metylacji, które można zidentyfikować za pomocą ChIP-seq . Jest to ważne w rozwoju indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych . Sposobem na znalezienie wskaźników udanej indukcji pluripotencjalnej jest porównanie wzorca epigenetycznego z wzorcem embrionalnych komórek macierzystych .
W dwuwartościowej chromatynie H3K4me3 jest kolokalizowany z represyjną modyfikacją H3K27me3 w celu kontrolowania regulacji genów. H3K4me3 w komórkach embrionalnych jest częścią dwuwartościowego układu chromatyny, w którym regiony DNA są jednocześnie znakowane aktywacją i represją metylacji histonów. Uważa się, że pozwala to na elastyczny system ekspresji genów, w którym geny są przede wszystkim represjonowane, ale mogą być szybko wyrażane dzięki H3K4me3 w miarę rozwoju komórki. Regiony te zwykle pokrywają się z genami czynnika transkrypcyjnego, których ekspresja jest na niskim poziomie. Niektóre z tych czynników, takie jak geny Hox są niezbędne do kontroli rozwoju i różnicowania komórek podczas embriogenezy .
naprawa DNA
H3K4me3 jest obecny w miejscach pęknięć dwuniciowych DNA, gdzie promuje naprawę przez niehomologiczny szlak łączenia końców. Zasugerowano, że wiązanie H3K4me3 jest niezbędne do funkcjonowania genów, takich jak inhibitor białka wzrostu 1 (ING1) , które działają jako supresory nowotworów i uruchamiają mechanizmy naprawy DNA.
Kiedy dochodzi do uszkodzenia DNA, rozpoczyna się sygnalizacja uszkodzenia DNA i naprawa w wyniku modyfikacji histonów w chromatynie. Mechanistycznie demetylacja H3K4me3 jest wymagana do specyficznego wiązania białek i rekrutacji do uszkodzeń DNA
Implikacje epigenetyczne
Potranslacyjne modyfikacje ogonów histonów przez kompleksy modyfikujące histony lub kompleksy przebudowy chromatyny są interpretowane przez komórkę i prowadzą do złożonych, kombinatorycznych wyników transkrypcji. Uważa się, że kod histonowy dyktuje ekspresję genów poprzez złożoną interakcję między histonami w określonym regionie. Obecne rozumienie i interpretacja histonów pochodzi z dwóch dużych projektów: ENCODE oraz Epigenomiczny plan działania. Celem badania epigenomicznego było zbadanie zmian epigenetycznych w całym genomie. Doprowadziło to do powstania stanów chromatyny, które definiują regiony genomowe poprzez grupowanie interakcji różnych białek i/lub modyfikacji histonów. Stany chromatyny badano w komórkach Drosophila, przyglądając się miejscu wiązania białek w genomie. Zastosowanie sekwencjonowania ChIP ujawniły regiony w genomie charakteryzujące się różnymi prążkami. Sprofilowano również różne stadia rozwojowe Drosophila, kładąc nacisk na znaczenie modyfikacji histonów. Analiza uzyskanych danych doprowadziła do zdefiniowania stanów chromatyny w oparciu o modyfikacje histonów. Zmapowano pewne modyfikacje i zaobserwowano, że wzbogacenie lokalizuje się w określonych regionach genomu. Odkryto pięć modyfikacji histonów rdzenia, z których każda jest powiązana z różnymi funkcjami komórki.
- H3K4me1 - zagruntowane wzmacniacze
- H3K4me3-promotorzy
- H3K36me3 -ciała genów
- H3K27me3 – represja polikombowa
- H3K9me3 -heterochromatyna
Ludzki genom został opatrzony adnotacjami o stanach chromatyny. Te stany z adnotacjami można wykorzystać jako nowe sposoby opisywania genomu niezależnie od leżącej u jego podstaw sekwencji genomu. Ta niezależność od sekwencji DNA wymusza epigenetyczny charakter modyfikacji histonów. Stany chromatyny są również przydatne do identyfikacji elementów regulatorowych, które nie mają określonej sekwencji, takich jak wzmacniacze . Ten dodatkowy poziom adnotacji pozwala na głębsze zrozumienie regulacji genów specyficznych dla komórki.
Metody
Znak histonowy H3K4me3 można wykryć na różne sposoby:
1. Immunoprecypitacyjne sekwencjonowanie chromatyny ( sekwencjonowanie ChIP ) mierzy ilość wzbogacenia DNA po związaniu z docelowym białkiem i immunoprecypitacji . Daje to dobrą optymalizację i jest wykorzystywane in vivo do ujawnienia zachodzącego w komórkach wiązania DNA-białko. ChIP-Seq można wykorzystać do identyfikacji i ilościowego określenia różnych fragmentów DNA dla różnych modyfikacji histonów wzdłuż regionu genomowego.
2. Sekwencjonowanie nukleaz mikrokokowych ( MNase-seq ) stosuje się do badania regionów, które są związane przez dobrze umiejscowione nukleosomy. Zastosowanie enzymu nukleazy mikrokokowej jest wykorzystywane do identyfikacji pozycjonowania nukleosomu. Widzi się, że dobrze ustawione nukleosomy mają wzbogacone sekwencje.
3. Test sekwencjonowania chromatyny dostępnej dla transpozazy ( ATAC-seq ) stosuje się do poszukiwania regionów wolnych od nukleosomów (otwarta chromatyna). Wykorzystuje hiperaktywny transpozon Tn5 do podkreślenia lokalizacji nukleosomu.