《组蛋白H2A的研究进展.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《组蛋白H2A的研究进展.doc（6页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、组蛋白H2A的研究进展真核细胞的DNA并不是游离存在的，而是缠绕在组蛋白的外围，与组蛋白一起构成染色质的核小体。在染色质中，由147个碱基对的DNA 在由H2A-H2B二聚体、(H3-H4)2四聚体组成的八聚体上缠绕形成核小体核心32。核小体核心再加上一段含有H1组蛋白的连接DNA 就构成了染色质的基本结构核小体。在H1、H2A、H2B、H3和H4 五种组蛋白中，H1的种族保守性很低，但有组织特异性，而另外四种组蛋白具有高度的保守性。1 组蛋白基因简介1.1 组蛋白的基础研究组蛋白的分子量多在10000-20000之间，H1分子量最大，可达到23000。组蛋白是一组等电点大于10.0的碱性蛋白
2、，5种组蛋白都含有大量带正电的碱性氨基酸赖氨酸和精氨酸，能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。其中H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸；H2A、H2B介于两者之间33,34。H2A、H2B、H3、H4均由球形部和尾部构成，球形部依靠精氨酸残基与磷酸二酯骨架间的静，如基因表达和损伤DNA的修复35。组蛋白基因在各种生物体内重复的次数不一样，但都在中度重复的范围内。通常每种组蛋白的基因在同一种生物中拷贝数是相同的。不同生物中组蛋白基因在基因组中的排列不一样，组蛋白基因没有一定的排列方式，而在拷贝数高的基因组中，大部分组蛋白基因串联重复形成基因簇。基因组中存在大量重复序列用以编码组蛋白是有其重要
3、意义的。DNA复制时，组蛋白也要成倍增加，而且往往在DNA合成一小段后，组蛋白马上就要与其相结合，这要求在较短的时间内合成大量的组蛋白，因而需要有大量的组蛋白基因存在。组蛋白作为核小体的基本组分，是染色质的结构和功能必需的。过去相当长一段时间里，人们对组蛋白的认识仅仅只停留在对染色质结构的维持方面，是否具有其他生物学功能了解甚少。目前对于组蛋白的研究多集中在转录调节因子以及组蛋白的乙酰化、去乙酰化是如何在核小体及整个核内区域改变染色质结构方面36,37。核心组蛋白H2A和H2B在细胞内的运动比H3和H4要快，这种运动依赖于转录活动的进行，只有在转录频繁发生的地方，H2A和H2B才会表现出比一般
4、情况下活跃的运动，转录过程似乎还会影响核小体的结构38。为了研究蛋白分子在细胞内的动态分布状况，常用的方法是将所研究的蛋白与报告基因构建成融合蛋白，使这个融合蛋白在细胞中表达,通过荧光显微镜观察蛋白在细胞内的定位及动态。应用光漂白恢复(FRAP)39技术可以进一步分析蛋白在细胞内的运动速率，扩散系数以及蛋白之间的相互关系。1.2 组蛋白的变体型研究近十年的研究表明38,40，核小体已不是简单的“染色质上的珠子”，而是染色体特殊化和动态的参与者。组蛋白成分及其共价修饰决定了核小体的状态，进而决定细胞的状态，组蛋白的成分除了常规的H2A、H2B、H3、H4和H1，还包括其他的组蛋白变体。这些组蛋白
5、变体的尾部包含多种修饰位点41-43，可经过特定的表观修饰，改变核小体的空间构象和稳定性，决定基因转录的激活或沉默，DNA的修复，染色体的异染色化等。在组蛋白替换过程中，组蛋白变体通过相应的染色质重构复合物组装入核小体，不同的变体有着不同的组装途径44。组蛋白和对应变体的替换是细胞对特定的生理状态和所受的刺激的反应。对组蛋白变体的研究是近年来表观遗传学研究的新热点，也是对“组蛋白密码”的新的诠释。在真核生物的5 种组蛋白中，组蛋白H4是最保守的，至今未发现变体的存在45，已发现的H3变体有着丝粒特异的CenH3和转录激活的核小体中的H3.346，还有精巢特异的H3t47。H2B的变体仅在精细胞
6、中发现，包括TH2B、TSH2B、H2BFWT，H1的变体是组织特异的或是发育时期特异的48。而组蛋白H2A是最不保守的，变体最多，H2A-H2B 二聚体在低离子强度条件下不稳定，更易游离于核小体。已发现的H2A 变体有H2A.Z、H2A.X、macroH2A、H2A-Bbd (Barr body deficient)和精巢特异的TH2A共5种。 2 H2A蛋白的分子结构及成员种类H2A组蛋白是染色质核小体组蛋白核心的成员之一，在细胞内H2A主要以4 种形式存在49：4 %的游离细胞核内；3 %处于活跃的转录中，迁移速度很快( t1/26 min)；40 %结合在染色质上，运动慢( t1/21
7、30 min)；53 %结合在异染色质上,几乎不发生运动( t1/2>530 min)。除了主要组成部分H2A1和H2A2外，目前认为还有H2A.Z、H2A.X (80 年代发现)、macroH2A1、macroH2A2 (90年代发现)和H2A-BBD (21世纪初发现)等5个亚型。与常规型H2A相比，变体型的差异主要在于C端（如图），C端的异质性决定了它们功能的不同50：图1-3 常规型H2A和变体型H2A的结构示意图35H2A.X的羧基端含有一个保守的色氨酸残基（Ser139），在DNA双链断裂修复时发生磷酸化反应；H2A.Z的末端序列和转录激活联系密切，能防止沉默的蔓延；Macr
8、oH2A 的C端有较大的球形结构域，在哺乳动物失活的X染色体中大量存在；H2A-BBD的N端和C端变化最大，不包含其它亚型的保守为点，是分子量最小的H2A变体形式，在哺乳动物失活的X染色体中发生缺失。常规型H2A和对应变体的替换是细胞对特定的生理状态和所受的刺激的反应。处于不同状态的染色质需要相应的组蛋白变体维持结构，以完成其生物学功能。在H2A的替换过程中，H2A变体通过相应的染色质重构复合物组装入核小体，不同的变体有着不同的组装途径51,52。组蛋白变体的存在反应了生物体极其灵活而又复杂的生理调节机制，其中MacroH2A和H2A-BBD是生物体进化至脊椎动物才出现的亚型53。3 H2A-
9、X的结构特点及功能研究3.1 H2A-X结构特点及主要功能域在大多数哺乳动物组织和细胞中，H2A.X编码基因位于11q23.22-q23.3，含量大概占总H2A的2 %10 %54，在低等真核生物中H2A.X的含量较高，在出芽酵母中几乎可达到100%。H2A.X多肽链有142个氨基酸残基，比常规H2A多13个残基，H2A.X的N 端120个残基与常规H2A的该段氨基酸序列几乎完全相同，C 端的22个残基序列与目前已知的脊椎动物H2A 家族其他蛋白序列没有同源性，但是与一些低等真核生物的H2A蛋白的C端序列有同源性。这段同源序列在进化上高度保守，包括一个139位为丝氨酸残基的丝氨酸-谷氨酰胺-谷
10、氨酸(Ser-Gln-Glu ,SQE) 结构域55。Rogakou 等56于1998 年首先发现用IR及其他引起DNA双链断裂的药物处理细胞后,可引起SQE结构域中的Ser 残基的迅速磷酸化,并将磷酸化的H2AX命名为-H2AX。进一步的研究表明,-H2AX 焦点的形成没有细胞特异性57 ,并且无论何种因素诱导的DSBs 都伴随有H2AX的磷酸化和簇集。SQE结构域是H2A.X功能行驶中的关键性作用位点，它所包含的Ser 残基可以被磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K) 家族成员毛细血管共济失调突变基因(ataxia telangiect
11、asia mutated gene, ATM)、Rad3相关蛋白(ATM and Rad3-related protein, ATR)及DNA依赖性蛋白激酶(DNA-dependent protein kinase, DNA-PK)等磷酸化58，磷酸化后的H2A.X标记为-H2A.X，这种磷酸化过程伴随着DNA的断链修复同时进行。过程如下：DNA-PK 促进磷酸化的起始，并一直伴随着信号传递，DNA-PK可能在DNA重组的部分特异性磷酸化H2A.X；ATM可能是在DNA 双链损伤后主要的必需分子；ATR是在DNA复制停止时出现的。由于加入的磷酸基团带有二价负电荷，它可以诱导-H2A.X磷酸化位
12、点处转录激活。理论上，解凝区域酶更容易进入，便于DNA 修复复合体聚集到受损位点。另外，-H2A.X作为一种化学信号，可以促进后续反应的进行以及蛋白因子间的相互作用，如在人类细胞中，当DNA双链损伤时59，Rad 50/51和BRCA聚集于-H2A-X位点。3.2 H2A-X的功能研究H2A.X在DNA出现断裂时替代常规H2A，它对DNA修复有重要作用。DNA损伤有许多不同的形式，如碱基修饰、DNA单链断裂(DNA single stranded breaks, SSBs)、DNA链内和链间交联以及DNA双链断裂 (DNA double stranded breaks, DSBs) 等，其中D
13、SBs 被认为是DNA 最严重的损伤。与DNA断裂相关的很多细胞生物学过程，都会引起H2A.X转录后的磷酸化修饰60，这些过程包括DNA双链断裂的修复、配子减数分裂联会复合体中的染色体的交换与重组、免疫球蛋白发生过程中细胞凋亡中的DNA降解、V(D) J 剪切、分类转换重组。另外，H2A.X的高磷酸化也是细胞凋亡的特征之一。细胞自身调控的程序性DSBs会诱导-H2AX焦点的形成。这些细胞自身调控的程序性DSBs包括细胞凋亡、生殖细胞减数分裂时的DNA 重组及哺乳动物免疫系统发育时DNA 重组过程中发生的DSBs。在细胞凋亡过程中，半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspases)被激活，降解DNase
14、的抑制物ICAD从而激活DNase，DNase再将DNA 降解成片段。H2AX 的磷酸化和簇集在细胞凋亡过程中是一个普遍存在的现象61，并且和DNA 片段的形成紧密相连，协同发生。在生殖细胞第一次减数分裂偶线期中,同源染色体开始配对，形成联会复合体。到双线期时,两条非姐妹染色单体之间发生交叉连接而出现重组。这一重组过程是由在细线期形成的Spo112依赖的DSBs 起始的。Mahadevaiah62等发现H2AX焦点在Spo11 诱导的DSBs 位点形成,并随着同源染色体开始联会而消失。另有研究表明,-H2A-X 也是XY性染色体的凝缩必须的,所以推论染色质动态的变化能导致H2A-X的磷酸化。S
15、okolov 63实验证明H2A-X阴性鼠虽能成活，但个体发育生长较小，免疫球蛋白分泌能力低，对电离辐射敏感，肿瘤易感性高，易患T/B淋巴细胞瘤或实体瘤，雄性鼠的生育能力低，H2A-X阴性细胞有丝分裂后基因组缺失率高于H2A-X阳性的细胞，说明H2A-X除了承担维持染色质结构的功能外，还有许多其他特殊的生物学功能。近几年的研究表明，组蛋白H2A-X在DNA损伤修复、细胞周期检测调控、基因组稳定性的维持和肿瘤抑制中起重要的作用。特别是检测H2AX 磷酸化过程中形成的-H2A.X，在辐射及化学物所致的DNA双链断裂(DSB)中具有非常大的潜在应用价值，作为一种特异的生物学效应的标志，H2A-X 磷酸化的检测及相关研究已成为许多领域研究的热点64,65。此外，由于-H2A.X的出现与DSBs存在着一一对应关系66。-H2A.X被认为是检测细DNA 双链断裂的一种特异的生物学效应的标志,并因此引起了国内外研究者们的广泛关注。