组蛋白的生物素酰化修饰.doc

 文章编号 : 1000-1336(2011)04-0480-04 组蛋白的生物素酰化修饰 王燕飞 鲍宝龙 上海海洋大学省部共建水产种质资源发掘与利用教育部重点实验室，上海 201306 摘要：组蛋白修饰对基因表达的表观遗传学调控起着重要作用。组蛋白生物素酰化修饰是近年来新发现的一种组蛋白修饰，具 有重要的生物学功能。有证据表明组蛋白生物素酰化在细胞增殖、DNA修复、维持基因组稳定等方面发挥作用。组蛋白的生物 素酰化修饰是由羧化全酶合成酶与组蛋白直接相互作用的结果。本文主要介绍了组蛋白生物素酰化发现的过程，并对近年来在 组蛋白生物素酰化催化机制和组蛋白生物素酰化功能方面的研究进展进行了综述，最后对组蛋白生物素酰化研究领域存在的问 题进行了探讨。 关键词：组蛋白生物素酰化；生物素；羧化全酶合成酶；生物素酰胺酶 中图分类号：Q71 组蛋白修饰是当前表观遗传学研究的热点，已 发现的组蛋白修饰有组蛋白的甲基化、乙酰化、磷 酸化、泛素化、多聚(ADP-核糖)化等[1-4]。组蛋白生 物素酰化修饰是近十年来发现的一种新的组蛋白修 饰，有着非常重要的生物学功能[5-7]。本文就国际上 关于组蛋白生物素酰化的研究，进行简要的介绍。 1. 生物素代谢 素酰腺苷酸，然后把其转移到脱辅基羧化酶(apocar- boxylase)的赖氨酸残基上，同时释放掉腺苷酸[11]。酰 化的生物素经羧化酶水解后，会产生生物胞素，生 物胞素经生物素酰胺酶(biotinidase, BTD)进一步水解 后重新成为生物素，生物素在细胞质中的循环可重 复多次，最终被排出细胞外[15]。Hymes等[16,17]提出假 说认为，在细胞质生物素循环中，BTD还可以把生 物胞素裂解成为生物素基-硫酯中间体[18]，然后生物 素半基(biotinyl moiety)从硫酯转移到组蛋白赖氨酸 (K)的ε-氨基酸基团[19]。 2. 细胞核内的生物素和组蛋白生物素酰化 生物素(biotin)由微生物、酵母和植物合成[8]，是 人类和动物维持健康不可缺少的一种水溶性维生素 (维生素H)[9]。生物素作为羧基载体在羧化、去羧化 和转羧化反应过程中发挥作用[10,11]，因此，生物素主 要通过依赖Na+的多维生素转运载体(SMVT/SLC5a6) 转运进入细胞。生物素通过羧化全酶合成酶(holocar- boxylase synthetase, HCS)与丙酰辅酶A羧化酶、丙酮 酸羧化酶、α-甲基巴豆酰辅酶A羧化酶和乙酰辅酶A 羧化酶共价结合，在脂肪酸合成葡萄糖异生作用、以 及几种支链氨基酸和奇碳链脂肪酸的分解代谢等方面 发挥作用[12-14]。HCS催化生物素结合到羧化酶上分为 二个步骤：在ATP存在下，先把生物素活化成为生物 早期研究得知，生物素确实在细胞核中存在[20-22]。 Hymes等[16,17]提出组蛋白的生物素酰化是由BTD催化 的，离体实验中发现BTD能催化组蛋白[23]，细胞核 中是否存在BTD尚有争议，而且也没发现BTD有入 核信号[24]。体内组蛋白生物素酰化修饰这种现象是 否确实存在呢？Stanley等[25]利用链霉亲和素，在五 种组蛋白中都检测到生物素酰化存在，Bao等[26]利用 生物素抗体和同位素标记的生物素也检测到组蛋白 H3生物素酰化存在。利用制备的特定赖氨酸位点生 物素修饰的组蛋白多肽所制备的抗体进行检测，已 经在组蛋白H3的K4、K9和K18、组蛋白H4的K8和 K12和组蛋白H2A的K9、K13、K125、K127和K129 收稿日期：2010-09-29 上海市教委科研创新重点项目(11ZZ146)和上海市教委重点学 科建设项目(S30701)(水生生物学)资助 作者简介：王燕飞(1983-)，女，硕士生，E-mail: wangyf118@ 163.com；鲍宝龙(1970-)，男，博士，教授，通讯作者，E-mail： blbao@ [27-29] [24] 位点上鉴定存在生物素酰化修饰 。Narang等 利 用HCS抗体检测到细胞核存在HCS蛋白，重组HCS也 能催化组蛋白生物素酰化，认为HCS也是催化组蛋白 生物素酰化的酶。在HCS基因敲减(knock-down)的果 蝇和人Jurkat淋巴母细胞瘤细胞中，组蛋白生物素酰 化水平降低，而在BTD基因敲减的果蝇，组蛋白生 物素酰化水平没有变化，表明组蛋白生物素酰化主 要是由HCS催化的[30,31]。 3. HCS 催化组蛋白生物素酰化的机制 癌细胞的细胞周期特定阶段，组蛋白H4K8和H4K12 的生物素酰化水平会发生变化，在有丝分裂的染色体 凝缩时，生物素酰化水平达到最高[33]。紫外线照射淋 巴细胞，可导致组蛋白生物素酰化水平增加[34]。而依托 泊苷(etoposide)处理