2022.11.11 杨晨分享“表观遗传学—组蛋白乙酰化”学习心得体会

表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达发生可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传学的主要研究内容包括：DNA/RNA甲基化、组蛋白修饰、核小体定位、非编码RNA和染色质三维结构等。

细胞内的DNA 被包装成染色质，一种由基本亚单位——核小体组成的动态结构。组蛋白是核小体的中心组成部分，由四个核心组蛋白(H3, H4, H2A, H2B) 形成的八聚体和包裹在核心周围的147 (146/147) 个碱基对的DNA 组成，每个组蛋白都具有特征性的尾巴 (Histonetail)，而上述提到的几类修饰也 "盯"上了这些尾巴，从而影响染色质结构。

组蛋白修饰指对组蛋白N端尾部氨基酸的修饰，包括乙酰化、磷酸化、甲基化和泛素化等。

蛋白的乙酰化修饰早在20世纪60年代就被发现了，但真正受到科学界“追捧”却是经历长达半个世纪的“辛酸”历程。1964年，乙酰化先驱 Vincent Allfrey 确定了组蛋白（histone）中的乙酰化，并提出了这种蛋白修饰在转录调控中可能发挥作用。同时期发现的磷酸化修饰自1959年确定后，即得到了飞速发展，而乙酰化修饰在发现后的30年间并未得到科学家的重视，直到近20年随着乙酰化相关酶以及非组蛋白乙酰化逐渐被“解锁”，乙酰化方面的文章数量呈井喷式增长。2006年，抗体富集和质谱技术被引入乙酰化相关研究，检测到的修饰蛋白数得到极大提升，乙酰化正式晋升为蛋白翻译后修饰研究的“当红小生”之一。

近几年的国家自然科学基金的资助项目中，蛋白质乙酰化修饰的相关项目也不断增多，2021年中标基金数就在250+。说明蛋白质乙酰化修饰是当前生命科学和基础医学研究的热点之一。

组蛋白乙酰化是在蛋白质原有基础上面嫁接上乙酰化基团。在细胞中，乙酰化修饰的反应由乙酰基转移酶所催化，将乙酰辅酶A的乙酰基转移并添加在蛋白质赖氨酸残基上。组蛋白的乙酰化主要发生在赖氨酸残基上，赖氨酸侧链含有氨基，在生理条件下带正电荷，从而能够和含有磷酸基团的DNA紧密结合，被乙酰化后使得正电荷被中和，无法和DNA紧密结合使得染色质结构松散，促进基因的表达。组蛋白的乙酰化动态平衡由大量不同的组蛋白去乙酰转移酶（HDAC）和组蛋白乙酰化酶（HAT）调节。

组蛋白乙酰化受到两个酶家族的调控：组蛋白乙酰转移酶(HATs) 和组蛋白脱乙酰酶(HDACs)。

组蛋白的乙酰化也存在写入(组蛋白乙酰转移酶HATs)，擦除(组蛋白脱乙酰基酶HDACs) 和读取(如:Bromodomains)。而在一些疾病尤其是肿瘤进展过程中，这些蛋白常表现出功能异常，通过用药物或基因疗法逆转这些异常，癌症表型甚至可以恢复正常。因此，它们就成为了潜在药物靶标。

蛋白的乙酰化和去乙酰化主要由“writer”乙酰基转移酶（KAT）和“eraser”去乙酰化酶（KDAC）调控，目前鉴定到的 KATs 有13个，主要归为三个家族：GCN5、p300和MYST19。另外还有 TAT1、ESCO1、ESCO2，以及HAT1（KAT1）。目前鉴定到人的 KDACs 有18个，可以分为两类：NAD⁺依赖性sirtuin 家族（classes Ⅲ）和Zn⁺依赖性Rpd3/Hda1 家族（classesⅠ/Ⅱ/Ⅳ）。相较于磷酸激酶和磷酸酶动辄上千个，乙酰化相关酶的数量较少，因此可以直接从酶的角度出发做研究，对其进行敲除研究酶的作用和底物，比如大量针对sirtuin 家族去乙酰化酶的研究表明了其在代谢和衰老相关疾病中的重要作用。而“reader”结构域主要有三个：溴结构域（bromodomain）、双PH 结构域和YEATS。

HAT抑制剂

HDAC 抑制剂

蛋白质组学分析的结果表明，非组蛋白乙酰化的频率非常高，且这些蛋白构成哺乳动物细胞中乙酰化蛋白的主要部分。事实上，非组蛋白乙酰化涉及生理和疾病相关的关键细胞过程，如基因转录，DNA损伤修复，细胞分裂，信号转导，蛋白质折叠，自噬和新陈代谢等。

总体而言，乙酰化是一个普遍而重要的蛋白质翻译后修饰，不仅集中在对细胞染色体结构的影响以及对核内转录调控因子的激活方面，而且还影响参与细胞周期和新陈代谢、肌动蛋白聚合控制、肿瘤及多聚谷氨酰胺疾病等方方面面。蛋白质乙酰化也是近年来众多疾病新药开发设计的有利靶标。

乙酰化通过多种机制影响蛋白质功能，包括调节蛋白质稳定性、酶活性、亚细胞定位和与其他翻译后修饰的串扰，以及控制蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA相互作用。

（1）抑制酶的活性；（2）增强酶的活性；（3）改变酶-底物特异性；（4）蛋白降解的调控；（5）促进蛋白质-蛋白质相互作用；（6）调节亚细胞定位

如何研究乙酰化？

蛋白的乙酰化修饰研究一般包括以下步骤：

①确定目标蛋白是否存在乙酰化；②筛选乙酰化酶/去乙酰化酶；

③鉴定乙酰化位点；④解析乙酰化对目标蛋白的影响；⑤探究目标蛋白乙酰化的生物学功能。

组蛋白乙酰化相关研究工具：

①组蛋白提取试剂盒eg:OP-0006 EpiQuik Total HistoneExtraction Kit(100)

②组蛋白乙酰化定量试剂盒eg:p-4030 EpiQuik Total Histone H3Acetylation Detection Fast Kit(Colorimetric)

③组蛋白乙酰转移酶（HAT）测定 eg:p-4003 EpiQuik HATActivity/Inhibition Assay Kit(48 assays)

④组蛋白白脱乙酰基酶（HDAC）测定eg:p-4034 Epigenase HDACActivity/Inhibition Direct Assay Kit (Colorimetric)

乙酰化可影响到生命活动的各个过程，包括：基因转录调控，DNA复制、损伤修复，RNA稳定性，蛋白合成、折叠、聚集，细胞周期、分裂、凋亡、自噬，细胞骨架重排，新陈代谢，脂质储存和分解，线粒体裂变，信号转导，离子转运，氧化还原调节等。在动植物的免疫应答、抗逆抗胁迫、生长发育、代谢和衰老过程、肿瘤发生发展、神经退行性疾病等方面都有广泛应用。

目前研究发现催化组蛋白乙酰化的HAT （例如p300/CBP、pCAF、ACTR等）或催化组蛋白去乙酰化的HDAC可与一些癌基因和抑癌基因产物相互作用，从而修饰或介导这些产物对与细胞分化和细胞增殖有关的基因转录的作用。HAT内源活性的p300/CBP基因的突变与肿瘤的发生密切相关。利用HDACs抑制剂对染色质结构进行修饰和基因表达调控已成为肿瘤治疗的一种新思路，并已显示出肿瘤令人瞩目的治疗前景。