H3K9me2

H3K9me2 to epigenetyczna modyfikacja białka pakującego DNA, Histon H3 . Jest to znak wskazujący na dimetylację przy 9. reszcie lizyny białka histonu H3. H3K9me2 jest silnie związany z represją transkrypcji . Poziomy H3K9me2 są wyższe w stanie cichym w porównaniu z aktywnymi genami w regionie 10 kb otaczającym miejsce startu transkrypcji. H3K9me2 tłumi ekspresję genów zarówno biernie, zakazując acetylacji , a tym samym wiążąc polimerazę RNA lub jego czynników regulacyjnych, i aktywnie, poprzez rekrutację represorów transkrypcji. H3K9me2 został również znaleziony w blokach megabazowych, zwanych domenami dużej zorganizowanej chromatyny K9 (LOCKS), które są głównie zlokalizowane w regionach rzadkich genów, ale obejmują również interwały genowe i międzygenowe . Jego synteza jest katalizowana przez G9a , białko podobne do G9a i PRDM2 . H3K9me2 może być usuwany przez szeroką gamę demetylaz lizyny histonów (KDM), w tym członków rodziny KDM1, KDM3, KDM4 i KDM7. H3K9me2 jest ważny dla różnych procesów biologicznych, w tym linii komórkowej zaangażowanie, przeprogramowanie komórek somatycznych na indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste , regulacja odpowiedzi zapalnej i uzależnienie od narkotyków.

Nomenklatura

H3K9me2 wskazuje na dimetylację lizyny 9 na podjednostce białka histonu H3:

Skr.	Oznaczający
H3	Rodzina histonów H3
k	standardowy skrót lizyny
9	pozycja reszty aminokwasowej (licząc od N-końca)
Ja	grupa metylowa
2	liczba dodanych grup metylowych

Metylacja lizyny

Ten diagram przedstawia postępującą metylację reszty lizyny. Di-metylacja oznacza metylację obecną w H3K9me2.

Zrozumienie modyfikacji histonów

Genomowy DNA komórek eukariotycznych jest owinięty wokół specjalnych cząsteczek białka zwanych histonami . 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) oraz 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 na końcu aminowym (N) są miejscem modyfikacje potranslacyjne , takie jak te widoczne w H3K9me2.

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 zrozumienie i interpretacja histonów pochodzi z dwóch dużych projektów: ENCODE i mapy drogowej Epigenomic. 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 sekwencjonowanie metodą immunoprecypitacji chromatyny (ChIP) ujawniło 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.

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.

Znaczenie kliniczne

Uzależnienie

Przewlekła uzależniająca ekspozycja na lek powoduje represję G9a za pośrednictwem ΔFosB i zmniejszoną dimetylację H3K9 w jądrze półleżącym , co z kolei powoduje arboryzację dendrytyczną , zmienioną ekspresję białek synaptycznych i zwiększone zachowanie związane z poszukiwaniem leków . W przeciwieństwie do tego, hiperekspresja G9a w pozycji leżącej powoduje znacznie zwiększoną dimetylację H3K9 i blokuje indukcję tej plastyczności nerwowej i behawioralnej przez chroniczne zażywanie narkotyków, co następuje poprzez represję czynników transkrypcyjnych za pośrednictwem H3K9me2 dla represji różnych celów transkrypcyjnych ΔFosB za pośrednictwem ΔFosB i H3K9me2 (np. CDK5 ). Ze względu na zaangażowanie H3K9me2 w te pętle sprzężenia zwrotnego i centralną patofizjologiczną rolę nadekspresji ΔFosB jako mechanistycznego wyzwalacza uzależnienia , redukcja półleżącego H3K9me2 po wielokrotnym narażeniu na lek bezpośrednio pośredniczy w rozwoju uzależnień od narkotyków.

ataksja Friedreicha

Pętle R znajdują się ze znakiem H3K9me2 w FXN w komórkach ataksji Friedreicha .

Choroba sercowo-naczyniowa

H3K9me2 jest obecny w podzbiorze promotorów genów związanych z chorobami układu krążenia w komórkach mięśni gładkich naczyń w celu zablokowania wiązania czynników transkrypcyjnych NFκB i AP-1 (białko aktywatora-1) . Obniżone poziomy H3K9me2 obserwowano w komórkach mięśni gładkich naczyń z ludzkich zmian miażdżycowych w porównaniu ze zdrową tkanką aorty u pacjentów. Komórki mięśni gładkich naczyń od pacjentów z cukrzycą wykazują obniżony poziom H3K9me2 w porównaniu z kontrolami bez cukrzycy; dlatego zasugerowano, że rozregulowanie H3K9me2 może leżeć u podstaw powikłań naczyniowych związanych z cukrzycą. Utrata H3K9me2 w komórkach mięśni gładkich naczyń zaostrza regulację w górę podzbioru genów związanych z chorobami sercowo-naczyniowymi w modelach chorób naczyniowych.

Metody

Modyfikacje histonów, w tym H3K9me2, można wykryć za pomocą różnych metod:

Sekwencjonowanie immunoprecypitacyjne 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.
CUT&RUN (Rozszczepienie pod celami i uwolnienie za pomocą nukleazy). W CUT&RUN docelowe kompleksy DNA-białko są izolowane bezpośrednio z jądra komórkowego, a nie po etapie wytrącania. Aby przeprowadzić CUT&RUN, do permeabilizowanych komórek dodaje się swoiste przeciwciało przeciwko białku wiążącemu DNA będące przedmiotem zainteresowania i ProtA-MNaza. MNaza jest przywiązana do białka będącego przedmiotem zainteresowania poprzez interakcję ProtA-przeciwciało, a MNaza rozszczepia otaczający, niezabezpieczony DNA, uwalniając kompleksy białko-DNA, które można następnie wyizolować i zsekwencjonować. Według doniesień CUT&RUN zapewnia znacznie wyższy stosunek sygnału do szumu w porównaniu z tradycyjnym układem ChIP. CUT&RUN wymaga zatem jednej dziesiątej głębokości sekwencjonowania ChIP i umożliwia genomowe mapowanie modyfikacji histonów i czynników transkrypcyjnych przy użyciu bardzo małej liczby komórek.
Sondy przeciwciał wewnątrzkomórkowych specyficzne dla modyfikacji. Do monitorowania zmian w modyfikacjach histonów w żywych komórkach można stosować czułe fluorescencyjne, genetycznie zakodowane sondy przeciwciał wewnątrzkomórkowych (ciało miętowe) specyficzne dla modyfikacji histonów.

Zobacz też