H3K27me3 - H3K27me3

H3K27me3 ist eine epigenetische Modifikation des DNA-Verpackungsproteins Histon H3 . Es ist eine Marke, die die Tri- zeigt Methylierung von Lysin 27 auf Histon H3 - Protein.

Diese Trimethylierung ist mit der Herunterregulierung benachbarter Gene über die Bildung heterochromatischer Regionen verbunden.

Nomenklatur

H3K27me3 zeigt die Trimethylierung von Lysin 27 auf der Histon-H3-Proteinuntereinheit an:

Abk. Bedeutung
H3 H3-Familie der Histone
K Standardabkürzung für Lysin
27 Position von Aminosäurerest

(Zählung vom N-Terminus )

mich Methylgruppe
3 Anzahl der hinzugefügten Methylgruppen

Lysin-Methylierung

Methylierung-Lysin

Dieses Diagramm zeigt die fortschreitende Methylierung eines Lysinrestes. Die Trimethylierung bezeichnet die in H3K27me3 vorhandene Methylierung.

Histon-Modifikationen verstehen

Die genomische DNA eukaryontischer Zellen ist um spezielle Proteinmoleküle, sogenannte Histone, gewickelt . Die durch die Schleifenbildung der DNA gebildeten Komplexe werden als Chromatin bezeichnet . Die grundlegende Struktureinheit des Chromatins ist das Nukleosom : Dieses besteht aus dem Kernoktamer der Histone (H2A, H2B, H3 und H4) sowie einem Linker-Histon und etwa 180 Basenpaaren DNA. Diese Kernhistone sind reich an Lysin- und Argininresten. Das Carboxyl (C)-terminale Ende dieser Histone trägt zu Histon-Histon-Wechselwirkungen sowie zu Histon-DNA-Wechselwirkungen bei. Die am Amino (N)-terminal geladenen Schwänze sind die Stelle der posttranslationalen Modifikationen, wie sie in H3K27me3 zu sehen sind.

Mechanismus und Funktion der Modifikation

Die Platzierung einer repressiven Markierung auf Lysin 27 erfordert die Rekrutierung von Chromatin-Regulatoren durch Transkriptionsfaktoren . Diese Modifikatoren sind entweder Histon-Modifikationskomplexe, die die Histone kovalent modifizieren, um sich um die Nukleosomen herum zu bewegen und das Chromatin zu öffnen, oder Chromatin-Remodellierungskomplexe, die eine Bewegung der Nukleosomen beinhalten, ohne sie direkt zu modifizieren. Diese Histonmarkierungen können als Andockstellen für andere Co-Aktivatoren dienen, wie bei H3K27me3 zu sehen ist. Dies geschieht durch Polycomb-vermitteltes Gen-Silencing über Histon-Methylierung und Chromodomänen-Interaktionen. Ein repressiver Polycomb-Komplex (PRC); PRC2 vermittelt die Trimethylierung von Histon 3 auf Lysin 27 durch Histon-Methyltransferase-Aktivität. Diese Markierung kann PRC1 rekrutieren, das bindet und zur Verdichtung des Chromatins beiträgt.

H3K27me3 ist mit der Reparatur von DNA-Schäden verbunden , insbesondere der Reparatur von Doppelstrangbrüchen durch homologe rekombinatorische Reparatur.

Beziehung zu anderen Modifikationen

H3K27 kann einer Vielzahl anderer Modifikationen unterzogen werden. Es kann sowohl in mono- als auch in dimethylierten Zuständen vorliegen. Die Rollen dieser jeweiligen Modifikationen sind nicht so gut charakterisiert wie die Trimethylierung. Es wird jedoch angenommen, dass PRC2 an all den verschiedenen Methylierungen beteiligt ist, die mit H3K27me assoziiert sind.

H3K27me1 ist mit der Förderung der Transkription verbunden und reichert sich in transkribierten Genen an. Dabei spielen Histon-Histon-Interaktionen eine Rolle. Die Regulation erfolgt über die Setd2-abhängige H3K36me3- Deposition.

H3K27me2 ist innerhalb des Kernhistons H3 breit verteilt und soll eine schützende Rolle spielen, indem es nicht zelltypspezifische Enhancer hemmt. Dies führt letztendlich zur Inaktivierung der Transkription.

Acetylierung ist normalerweise mit der Hochregulierung von Genen verbunden. Dies ist bei H3K27ac der Fall, bei dem es sich um eine aktive Enhancer-Markierung handelt. Es kommt in distalen und proximalen Genregionen vor. Es ist in Transkriptionsstartstellen (TSS) angereichert . H3K27ac teilt sich einen Standort mit H3K27me3 und sie interagieren auf antagonistische Weise.

Es wird oft beobachtet, dass H3K27me3 mit H3K4me3 in bivalenten Domänen interagiert . Diese Domänen werden normalerweise in embryonalen Stammzellen gefunden und sind entscheidend für die richtige Zelldifferenzierung. H3K27me3 und H3K4me3 bestimmen, ob eine Zelle unspezifiziert bleibt oder sich schließlich differenzieren wird. Das Grb10-Gen in Mäusen nutzt diese bivalenten Domänen. Grb10 zeigt eine geprägte Genexpression. Gene werden von einem elterlichen Allel exprimiert, während sie gleichzeitig im anderen elterlichen Allel zum Schweigen gebracht werden.

Andere gut charakterisierte Modifikationen sind H3K9me3 sowie H4K20me 3, die – ebenso wie H3K27me3 – über die Bildung heterochromatischer Regionen mit der Transkriptionsrepression verbunden sind. Monomethylierungen von H3K27, H3K9 und H4K20 sind alle mit der Genaktivierung verbunden.

Epigenetische Implikationen

Die posttranslationale Modifikation von Histonschwänzen durch entweder histonmodifizierende Komplexe oder Chromatin-Remodeling-Komplexe werden von der Zelle interpretiert und führen zu einer komplexen, kombinatorischen Transkriptionsausgabe. Es wird angenommen, dass ein Histone-Code die Expression von Genen durch eine komplexe Interaktion zwischen den Histonen in einer bestimmten Region diktiert. Das aktuelle Verständnis und die Interpretation von Histone stammen aus zwei Großprojekten: ENCODE und der Epigenomic Roadmap. Ziel der epigenomischen Studie war es, epigenetische Veränderungen im gesamten Genom zu untersuchen. Dies führte zu Chromatinzuständen, die genomische Regionen definieren, indem sie die Interaktionen verschiedener Proteine ​​und/oder Histonmodifikationen zusammen gruppieren. Chromatinzustände wurden in Drosophila-Zellen untersucht, indem die Bindungsstelle von Proteinen im Genom untersucht wurde. Die Verwendung der ChIP-Sequenzierung zeigte Regionen im Genom, die durch unterschiedliche Bandenbildung gekennzeichnet sind. Auch bei Drosophila wurden verschiedene Entwicklungsstadien profiliert, wobei ein Schwerpunkt auf die Relevanz der Histonmodifikation gelegt wurde. Ein Blick in die erhaltenen Daten führte zur Definition von Chromatinzuständen basierend auf Histonmodifikationen. Bestimmte Modifikationen wurden kartiert und eine Anreicherung wurde in bestimmten genomischen Regionen beobachtet. Es wurden fünf Kernhiston-Modifikationen gefunden, von denen jede mit verschiedenen Zellfunktionen verbunden war.

  • H3K4me3-Promoter
  • H3K4me1 - grundierte Enhancer
  • H3K36me3 -Genkörper
  • H3K27me3-Polycomb-Repression
  • H3K9me3 -Heterochromatin

Das menschliche Genom wurde mit Chromatinzuständen annotiert. Diese annotierten Zustände können als neue Wege verwendet werden, um ein Genom unabhängig von der zugrunde liegenden Genomsequenz zu annotieren. Diese Unabhängigkeit von der DNA-Sequenz verstärkt die epigenetische Natur der Histonmodifikationen. Chromatinzustände sind auch bei der Identifizierung von regulatorischen Elementen nützlich, die keine definierte Sequenz aufweisen, wie beispielsweise Enhancer. Diese zusätzliche Annotationsebene ermöglicht ein tieferes Verständnis der zellspezifischen Genregulation.

Klinische Bedeutung

Es wird angenommen, dass H3K27me3 aufgrund seiner Regulation als repressives Zeichen an einigen Krankheiten beteiligt ist.

Cohen-Gibson-Syndrom

Das Cohen-Gibson-Syndrom ist eine Erkrankung, die mit Überwucherung verbunden ist und durch dysmorphe Gesichtszüge und eine variable geistige Behinderung gekennzeichnet ist. In einigen Fällen war eine de novo Missense-Mutation im EED mit einem im Vergleich zum Wildtyp verringerten H3K27me3-Spiegel verbunden. Diese Abnahme war mit dem Verlust der PRC2-Aktivität verbunden.

Spektrumstörungen

Es gibt Hinweise darauf, dass die Herunterregulierung der Expression von H3K27me3 in Verbindung mit der unterschiedlichen Expression von H3K4me3 UND DNA-Methylierung einen Faktor bei der fetalen Alkoholspektrumstörung (FASD) bei C57BL/6J-Mäusen spielen könnte. Es wird angenommen, dass dieser Histoncode den Peroxisomen-assoziierten Weg beeinflusst und den Verlust der Peroxisomen induziert, um oxidativen Stress zu lindern.

Methoden

Der Histon-Marker H3K27me3 kann auf verschiedene Weise nachgewiesen werden:

1. Chromatin-Immunpräzipitationssequenzierung ( ChIP-Sequenzierung ) misst die Menge der DNA-Anreicherung, sobald sie an ein Zielprotein gebunden und immunpräzipitiert wurde. Es führt zu einer guten Optimierung und wird in vivo verwendet, um die in Zellen auftretende DNA-Protein-Bindung aufzudecken. ChIP-Seq kann verwendet werden, um verschiedene DNA-Fragmente für verschiedene Histon-Modifikationen entlang einer genomischen Region zu identifizieren und zu quantifizieren.

2. Micrococcal Nuclease Sequencing (MNase-seq) wird verwendet, um Regionen zu untersuchen, die von gut positionierten Nukleosomen gebunden werden. Die Verwendung des Mikrokokken-Nuklease-Enzyms wird verwendet, um die Nukleosomenpositionierung zu identifizieren. Gut positionierte Nukleosomen weisen eine Anreicherung von Sequenzen auf.

3. Der Assay für die Transposase-zugängliche Chromatin-Sequenzierung ( ATAC-seq ) wird verwendet, um in Bereiche zu schauen, die nukleosomenfrei sind (offenes Chromatin). Es verwendet hyperaktives Tn5-Transposon , um die Nukleosomenlokalisierung hervorzuheben.

Siehe auch

Verweise