組蛋白磷酸化
在1970年代，研究人員開始在各種生物樣本中檢測到磷酸化的組蛋白。使用放射性標(biāo)記技術(shù)的實(shí)驗揭示了組蛋白，尤其是組蛋白H1，可以被磷酸化。在1980年代，研究開始暗示組蛋白磷酸化與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能之間存在聯(lián)系。在了解組蛋白磷酸化的角色方面，一個重大突破出現(xiàn)在1990年代，當(dāng)時的研究人員發(fā)現(xiàn)了它在細(xì)胞周期調(diào)控中的作用。到了21世紀(jì)，對組蛋白磷酸化的研究顯著擴(kuò)展。
1. 什么是組蛋白磷酸化？
組蛋白磷酸化的概念首次在1967年被提出 [1]。組蛋白磷酸化酶將磷酸基團(tuán)沉積到組蛋白上的絲氨酸（S）、蘇氨酸（T）或酪氨酸（Y）殘基上。大多數(shù)磷酸化發(fā)生在H3S10和H3S28上，以及H3T3、H3T6和H3T11上。組蛋白磷酸化可以根據(jù)特定背景和磷酸化位點(diǎn)的位置對基因表達(dá)產(chǎn)生不同影響。
2. 參與組蛋白磷酸化的三個基本組成部分
每個四個核心組蛋白都容易被不同的蛋白激酶磷酸化，而磷酸化過程可以被磷酸酶逆轉(zhuǎn)，這個過程被稱為去磷酸化。識別和結(jié)合磷酸化組蛋白，以及將信號轉(zhuǎn)化為不同生物輸出的最終過程是由磷酸化組蛋白讀取器完成的。
2.1 蛋白激酶
蛋白激酶，是將磷酸基團(tuán)添加到組蛋白上的酶。
表1. 組蛋白磷酸化位點(diǎn)、已知激酶和功能 [2,16]
| 組蛋白 | 磷酸化位點(diǎn) | 生物體 | 激酶 | 生物學(xué)功能 |
|---|---|---|---|---|
| H2A | S1 | 哺乳動物 | MSK | 有絲分裂，抑制轉(zhuǎn)錄 |
| T119 | 哺乳動物 | NHK-1, AURKB | 有絲分裂期間染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)節(jié) | |
| S121 | 裂殖酵母 | Bub1 | 通過在姐妹著絲粒處招募舒格神蛋白來維持染色體穩(wěn)態(tài) | |
| S129 | 酵母 | Mec1, Tel1 | DNA雙鏈斷裂修復(fù) | |
| S139 (H2AX) | 哺乳動物 | ATR, ATM, DNA-PKcs, RSK2, MSK1 | DNA修復(fù)，減少EGF介導(dǎo)的細(xì)胞轉(zhuǎn)化，凋亡 | |
| Y142 (H2AX) | 哺乳動物 | WSTF | 細(xì)胞存活和凋亡之間的決定 | |
| H2B | S10 | 酵母 | Ste20 | 凋亡 |
| S14 | 各種脊椎動物 | MstI | 凋亡 | |
| S32 | 哺乳動物 | PKC | EGF信號傳導(dǎo) | |
| S33 | 果蠅 | CTK-TAF1 | 轉(zhuǎn)錄調(diào)控 | |
| S36 | 哺乳動物 | AMPK | 直接的轉(zhuǎn)錄和染色質(zhì)調(diào)控途徑，引導(dǎo)細(xì)胞對應(yīng)激的響應(yīng) | |
| H3 | T3 | 哺乳動物 | Haspin | 有絲分裂 |
| T6 | 哺乳動物 | PKCβ | 雄激素依賴性H3T6磷酸化阻止LSD1介導(dǎo)的H3K4去甲基化，維持激素依賴性基因的活化 | |
| S10 | 酵母, 哺乳動物 | Snf1, IpL1 (酵母), AURKB (哺乳動物), MSK1, MSK2, IKKα, PKB/Akt, Rsk2, PIM1 | 轉(zhuǎn)錄，染色質(zhì)濃縮，UVB應(yīng)答 | |
| T11 | 哺乳動物 | Chk1, PRK1, Dlk/Zip kinase | 減數(shù)分裂，轉(zhuǎn)錄，DNA損傷應(yīng)答 | |
| S28 | 哺乳動物 | AURKB, ERK1/ERK2, p38 | 減數(shù)分裂 | |
| MLTK-α, JNK1/2, MSK1 | 有絲分裂，轉(zhuǎn)錄 | |||
| Y41 | 哺乳動物 | JAK2 | 轉(zhuǎn)錄 | |
| T45 | 哺乳動物, 芽殖酵母 | PK-Cδ, Cdc7-Dbf4 | 凋亡，在DNA損傷時，當(dāng)DNA被剪裂時的作用，DNA復(fù)制 | |
| H4 | S1 | 酵母, 哺乳動物 | CKII | DNA修復(fù)，轉(zhuǎn)錄 |
| Sps1 | 減數(shù)分裂和染色質(zhì)裝配，轉(zhuǎn)錄 | |||
| S47 | 酵母, 哺乳動物 | PAK2 | （H3.3-H4）沉積 | |
| H18/75 | 哺乳動物 | - | 通過破壞組蛋白八聚體來促進(jìn)DNA復(fù)制的進(jìn)行 | |
| H1 | S/T | CDK2 | 有絲分裂，轉(zhuǎn)錄 |
2.2 擦除酶
組蛋白磷酸酸酶，也被稱為擦除酶，從磷酸化組蛋白上去除磷酸基團(tuán)。在哺乳動物中有八種不同的Ser/Thr特異性蛋白磷酸酶（PPs），包括PP1、PP2A、PP2B、PP2C、PP4、PP5、PP6和PP7 [3]。在這些酶中，PP1、PP2A和PP4都被確認(rèn)為組蛋白磷酸酸酶。
| 組蛋白磷酸激酶 | 識別去磷酸化 | 生物體 |
|---|---|---|
| PP1 | H1 [4] | 細(xì)胞周期依賴性 |
| PP1 homologue | H3S10 [5] | 酵母和蠕蟲，在有絲分裂期間 |
| PP2A | H3S10ph [6] | 果蠅 |
| γ-H2AX [7] | 哺乳動物和酵母 | |
| PP4 | γ-H2AX [8] | 哺乳動物和酵母 |
2.3 讀取蛋白
組蛋白磷酸化的讀取蛋白是識別并結(jié)合磷酸化組蛋白的磷酸化組蛋白結(jié)合蛋白，從而將信號解釋為不同的生物學(xué)輸出。這些蛋白攜帶磷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域，例如14-3-3和BRCT結(jié)構(gòu)域。
3. 組蛋白磷酸化機(jī)制
了解組蛋白磷酸化需要掌握其潛在機(jī)制：
3.1 激酶激活
組蛋白磷酸化始于激酶的激活。這些激酶可以在細(xì)胞應(yīng)激、生長因子和DNA損傷等各種信號作用下被激活。
3.2 磷酸添加
一旦激活，激酶會靶向組蛋白蛋白質(zhì)上特定的氨基酸，主要是絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基。磷酸基團(tuán)被添加到這些氨基酸上，改變了組蛋白的電荷和結(jié)構(gòu)。
3.3 功能結(jié)果
組蛋白磷酸化通過多種機(jī)制影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。它可以創(chuàng)造其他蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)，或者直接改變組蛋白和DNA之間的相互作用。這些變化最終決定了附近基因是被激活還是被沉默。
4. 組蛋白磷酸化的功能
由激酶和磷酸酶協(xié)調(diào)的組蛋白磷酸化和去磷酸化被認(rèn)識為調(diào)控各種涉及染色質(zhì)的過程的關(guān)鍵機(jī)制，包括轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制、DNA損傷修復(fù)、染色體分離和凋亡反應(yīng)。
例如，H2A.X S139 和 H4S1 與 DNA 損傷應(yīng)答相關(guān)。H3S10、H3S28、H2BS32、H3T6、H3T11、H3Y41、H2BS36、H2BY37、H4S1 和 H4S47 與轉(zhuǎn)錄相關(guān)。H3S10 和 H3S28 出現(xiàn)在有絲分裂中。H4S1 和 H2BS10 見于減數(shù)分裂。H2BS10、H2AXS139 和 H3T45 參與了凋亡。
組蛋白磷酸化還在細(xì)胞周期調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。在G1期，組蛋白磷酸化促進(jìn)細(xì)胞生長和DNA復(fù)制。在S期，組蛋白磷酸化有助于維持復(fù)制叉的穩(wěn)定性。在G2和M期，組蛋白磷酸化對染色體分離和有絲分裂過程至關(guān)重要。
對于變異型組蛋白H2A(X)在絲氨酸139位置的磷酸化，即γH2A(X)，是DNA損傷應(yīng)答（DDR）中的關(guān)鍵事件。這種修飾在細(xì)胞周期的各個階段以及對各種DDR途徑的應(yīng)答中發(fā)生，包括非同源末端連接（NHEJ）、同源重組（HR）和與復(fù)制有關(guān)的DNA修復(fù)。
圖1. 哺乳動物細(xì)胞中組蛋白H2AX磷酸化位點(diǎn)和發(fā)生在S139的重要事件 [16]
5. 組蛋白磷酸化與其他組蛋白修飾的相互作用
組蛋白磷酸化，類似于其他組蛋白修飾，不是獨(dú)立發(fā)揮作用的，而是與其他翻譯后修飾，包括甲基化和乙酰化，進(jìn)行復(fù)雜的相互作用。
H3S10磷酸化在物理上和功能上與幾乎相鄰的K14殘基的乙酰化相結(jié)合，而H3K14的乙酰化增強(qiáng)了H3S10ph與14-3-3之間的相互作用。Zippo等人發(fā)現(xiàn)，H3S10ph能與14-3-3蛋白相互作用，并促使組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶MOF的招募，MOF乙酰化H3K16。這些連續(xù)事件招募了Brd4和P-TEFb，最終促進(jìn)了局部轉(zhuǎn)錄 [13]。
H3S28ph與H3K27ac一起有助于啟動轉(zhuǎn)錄。它通過將染色質(zhì)中的Polycomb抑制復(fù)合物排斥，啟動附近H3K27殘基的去甲基化和隨后的乙酰化，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄的激活。
PKCβI介導(dǎo)的H3T6的磷酸化抑制了LSD1和JARID1B對H3K4的去甲基化，而PRK1介導(dǎo)的H3T11的磷酸化促進(jìn)了JMJD2C對H3K9的去甲基化 [14, 15]。
一項研究表明，H3T11磷酸化增加了它在Gcn5依賴的基因啟動子上與KAT Gcn5的相互作用，如細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子cyclin B和cdk1，最終導(dǎo)致H3K9和K14的乙酰化增強(qiáng)，從而推動了轉(zhuǎn)錄的激活。
H4乙酰轉(zhuǎn)移酶MOF通過與14-3-3的相互作用被招募到H3S10的磷酸化區(qū)域，從而在即時早期（IE）基因的激活期間實(shí)現(xiàn)H3S10ph和H4K16ac之間的相互作用 [13]。
6. 組蛋白磷酸化與疾病
組蛋白磷酸化與許多疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，包括腫瘤、心血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。在腫瘤中，異常的組蛋白磷酸化導(dǎo)致基因表達(dá)失調(diào)，促使異常細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移。多種癌癥類型中都有多個組蛋白蛋白的異常磷酸化，以及負(fù)責(zé)調(diào)控組蛋白磷酸化的基因突變。在心血管疾病中，組蛋白磷酸化的不平衡可以導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡和心肌梗死。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中，組蛋白磷酸化的失調(diào)可能導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和認(rèn)知下降。
參考文獻(xiàn)：
[1] Stevely WS, and Stocken LA (1966) Phosphorylation of rat-thymus histone [J]. Biochem. J 100, 20C-21C.
[2] Lau, P.N.I., and Cheung, P. (2009). Histone Phosphorylation: Chromatin Modifications that Link Cell Signaling Pathways to Nuclear Function Regulation [J]. In Handbook of Cell Signaling 2nd edition, R. A. Bradshaw and E. A. Dennis, eds. (Oxford: Academic Press), pp. 2399–2408.
[3] Moorhead GB, Trinkle-Mulcahy L, Ulke-Lemee A (2007). Emerging roles of nuclear protein phosphatases [J]. Nat Rev Mol Cell Biol 8: 234–244.
[4] Paulson JR, Patzlaff JS, Vallis AJ (1996). Evidence that the endogenous histone H1 phosphatase in HeLa mitotic chromosomes is protein phosphatase 1, not protein phosphatase 2A [J]. J Cell Sci 109: 1437–1447.
[5] Hsu JY et al. (2000). Mitotic phosphorylation of histone H3 is governed by Ipl1/aurora kinase and Glc7/PP1 phosphatase in budding yeast and nematodes [J]. Cell 102: 279–291.
[6] Nowak SJ, Pai CY, Corces VG (2003). Protein phosphatase 2A activity affects histone H3 phosphorylation and transcription in Drosophila melanogaster [J]. Mol Cell Biol 23: 6129–6138.
[7] Chowdhury D, Keogh MC, et al. (2005) γ-H2AX dephosphorylation by protein phosphatase 2A facilitates DNA double-strand break repair [J]. Mol Cell 20: 801–809.
[8] Chowdhury D, Xu X, et al. (2008) A PP4-phosphatase complex dephosphorylates γ-H2AX generated during DNA replication [J]. Mol Cell 31: 33–46.
[9] Stucki, M., Clapperton, et al. (2005). MDC1 directly binds phosphorylated histone H2AX to regulate cellular responses to DNA double-strand breaks [J]. Cell 123, 1213–26.
[10] Kelly, A.E., Ghenoiu, C., et al. (2010). Survivin Reads Phosphorylated Histone H3 Threonine 3 to Activate the Mitotic Kinase Aurora B [J]. Science 330, 235–239.
[11] Wang, F., Dai, J., et al. (2010). Histone H3 Thr-3 Phosphorylation by Haspin Positions Aurora B at Centromeres in Mitosis [J]. Science 330, 231–235.
[12] Yamagishi, Y., Honda, T., Tanno, Y., and Watanabe, Y. (2010). Two Histone Marks Establish the Inner Centromere and Chromosome Bi-Orientation [J]. Science 330, 239– 243.
[13] Zippo A, Serafini R, Rocchigiani M et al. (2009) Histone crosstalk between H3S10ph and H4K16ac generates a histone code that mediates transcription elongation [J]. Cell 138:1122–1136.
[14] Metzger, E., Yin, N., et al. (2008). Phosphorylation of histone H3 at threonine 11 establishes a novel chromatin mark for transcriptional regulation [J]. Nature Cell Biology 10, 53–60.
[15] Metzger, E., Imhof, A., et al. (2010). Phosphorylation of histone H3T6 by PKC|[bgr]|I controls demethylation at histone H3K4 [J]. Nature 464, 792.
[16] Banerjee T, Chakravarti D. A peek into the complex realm of histone phosphorylation. Molecular and Cellular Biology [J]. 2011 Dec;31(24):4858-4873.
