H3K4me3
H3K4me3 är en epigenetisk modifiering av DNA-förpackningsproteinet Histone H3 som indikerar trimetylering vid den 4:e lysinresten av histon H3-proteinet och är ofta involverad i regleringen av genuttryck . Namnet betecknar tillägget av tre metylgrupper ( trimetylering ) till lysin 4 på histon H3- proteinet.
H3 används för att paketera DNA i eukaryota celler (inklusive mänskliga celler), och modifieringar av histonen förändrar tillgängligheten för gener för transkription. H3K4me3 är vanligtvis associerat med aktivering av transkription av närliggande gener. H3K4-trimetylering reglerar genuttryck genom kromatinombyggnad av NURF -komplexet. Detta gör DNA i kromatinet mer tillgängligt för transkriptionsfaktorer , vilket gör att generna kan transkriberas och uttryckas i cellen. Mer specifikt har H3K4me3 visat sig positivt reglera transkription genom att ta med histonacetylaser och nukleosomombyggnadsenzymer (NURF). H3K4me3 spelar också en viktig roll i den genetiska regleringen av stamcellsstyrka och härstamning . Detta beror på att denna histonmodifiering mer-så finns i områden av DNA som är associerade med utveckling och fastställande av cellidentitet.
Nomenklatur
H3K4me1 indikerar monometylering av lysin 4 på histon H3-proteinsubenhet:
| Abbr. | Menande |
| H3 | H3 familj av histoner |
| K | standardförkortning för lysin |
| 4 | aminosyrarestens position (räknat från N-terminalen) |
| mig | metylgrupp |
| 1 | antal tillsatta metylgrupper |
Lysinmetylering
Detta diagram visar den progressiva metyleringen av en lysinrest. Tri-metyleringen betecknar metyleringen närvarande i H3K4me3.
H3K4me3-modifieringen skapas av ett lysinspecifikt histonmetyltransferas (HMT) som överför tre metylgrupper till histon H3. H3K4me3 metyleras av metyltransferaskomplex som innehåller ett protein WDR5 , som innehåller WD40 - repeterande proteinmotiv . WDR5 associeras specifikt med dimetylerad H3K4 och tillåter ytterligare metylering av metyltransferaser, vilket möjliggör skapandet och avläsningen av H3K4me3-modifieringen. WDR5-aktivitet har visat sig krävas för utvecklingsgener, som Hox-gener , som regleras av histonmetylering.
Epigenetisk markör
H3K4me3 är en vanlig histonmodifiering. H3K4me3 är en av de minst förekommande histonmodifikationerna; den är emellertid starkt berikad vid aktiva promotorer nära transkriptionsstartställen (TSS) och positivt korrelerad med transkription. H3K4me3 används som en histonkod eller histonmärke i epigenetiska studier (vanligtvis identifierad genom kromatinimmunfällning) för att identifiera aktiva genpromotorer .
H3K4me3 främjar genaktivering genom verkan av NURF-komplexet, ett proteinkomplex som verkar genom PHD-fingerproteinmotivet för att omforma kromatin. Detta gör DNA:t i kromatinet tillgängligt för transkriptionsfaktorer , vilket gör att generna kan transkriberas och uttryckas i cellen.
Förstå histonmodifieringar
Det genomiska DNA:t från eukaryota celler är virat runt speciella proteinmolekyler som kallas histoner . Komplexen som bildas av öglan av DNA är kända som kromatin . Den grundläggande strukturella enheten för kromatin är nukleosomen : denna består av kärnoktameren av histoner (H2A, H2B, H3 och H4) samt en länkhiston och cirka 180 baspar av DNA. Dessa kärnhistoner är rika på lysin- och argininrester. Karboxyl (C) terminala änden av dessa histoner bidrar till histon-histon-interaktioner, såväl som histon-DNA-interaktioner. De amino(N)-terminalladdade svansarna är platsen för de posttranslationella modifieringarna, såsom den som ses i H3K4me1.
Roll i stamceller och embryogenes
Reglering av genuttryck genom H3K4me3 spelar en betydande roll vid bestämning av stamcellsöde och tidig embryonutveckling. Pluripotenta celler har distinkta metyleringsmönster som kan identifieras genom ChIP-seq . Detta är viktigt vid utvecklingen av inducerade pluripotenta stamceller . Ett sätt att hitta indikatorer på framgångsrik pluripotent induktion är att jämföra det epigenetiska mönstret med det hos embryonala stamceller .
I bivalent kromatin samlokaliseras H3K4me3 med den repressiva modifieringen H3K27me3 för att kontrollera genreglering. H3K4me3 i embryonala celler är en del av ett bivalent kromatinsystem, i vilket regioner av DNA samtidigt markeras med aktiverande och undertryckande histonmetyleringar. Detta tros möjliggöra ett flexibelt system för genuttryck, där gener i första hand undertrycks, men kan uttryckas snabbt på grund av H3K4me3 när cellen utvecklas. Dessa regioner tenderar att sammanfalla med transkriptionsfaktorgener uttryckta vid låga nivåer. Några av dessa faktorer, såsom Hox-generna , är väsentliga för kontrollutveckling och celldifferentiering under embryogenes .
DNA-reparation
H3K4me3 finns på ställen för DNA-dubbelsträngsbrott där det främjar reparation av den icke-homologa ändbindningsvägen . Det har inblandats att bindningen av H3K4me3 är nödvändig för funktionen av gener såsom hämmare av tillväxtprotein 1 (ING1), som fungerar som tumörsuppressorer och skapar DNA-reparationsmekanismer.
När DNA-skada inträffar börjar signalering och reparation av DNA-skada som ett resultat av modifieringen av histoner i kromatinet. Mekanistiskt används demetyleringen av H3K4me3 som krävs för specifik proteinbindning och rekrytering till DNA-skada
Epigenetiska implikationer
Den post-translationella modifieringen av histonsvansar av antingen histonmodifierande komplex eller kromatinremodelleringskomplex tolkas av cellen och leder till komplex, kombinatorisk transkriptionell produktion. Man tror att en histonkod dikterar uttrycket av gener genom en komplex interaktion mellan histonerna i en viss region. Den nuvarande förståelsen och tolkningen av histoner kommer från två storskaliga projekt: ENCODE och den epigenomiska färdplanen. Syftet med den epigenomiska studien var att undersöka epigenetiska förändringar över hela genomet. Detta ledde till kromatintillstånd som definierar genomiska regioner genom att gruppera interaktionerna mellan olika proteiner och/eller histonmodifieringar tillsammans. Kromatintillstånd undersöktes i Drosophila-celler genom att titta på bindningsplatsen för proteiner i genomet. Användning av ChIP-sekvensering avslöjade regioner i genomet som kännetecknas av olika bandning. Olika utvecklingsstadier profilerades även i Drosophila, betoning lades på histonmodifieringsrelevans. En titt på de erhållna uppgifterna ledde till definitionen av kromatintillstånd baserat på histonmodifieringar. Vissa modifieringar kartlades och anrikning sågs lokaliseras i vissa genomiska regioner. Fem kärnhistonmodifikationer hittades där var och en var kopplad till olika cellfunktioner.
- H3K4me1 -primade förstärkare
- H3K4me3-promotorer
- H3K36me3 -genkroppar
- H3K27me3 -polycomb förtryck
- H3K9me3 -heterokromatin
Det mänskliga genomet kommenterades med kromatintillstånd. Dessa annoterade tillstånd kan användas som nya sätt att annotera ett genom oberoende av den underliggande genomsekvensen. Detta oberoende från DNA-sekvensen framtvingar den epigenetiska naturen hos histonmodifieringar. Kromatintillstånd är också användbara för att identifiera regulatoriska element som inte har någon definierad sekvens, såsom förstärkare . Denna ytterligare nivå av annotering möjliggör en djupare förståelse av cellspecifik genreglering.
Metoder
Histonmärket H3K4me3 kan detekteras på en mängd olika sätt:
1. Chromatin Immunoprecipitation Sequencing ( ChIP-sequencing ) mäter mängden DNA-anrikning när den har bundits till ett målprotein och immunoutfällts . Det resulterar i god optimering och används in vivo för att avslöja DNA-proteinbindning som förekommer i celler. ChIP-Seq kan användas för att identifiera och kvantifiera olika DNA-fragment för olika histonmodifieringar längs en genomisk region.
2. Mikrokock-nukleassekvensering ( MNase-seq ) används för att undersöka regioner som är bundna av välpositionerade nukleosomer. Användning av mikrokocknukleasenzymet används för att identifiera nukleosompositionering. Väl positionerade nukleosomer ses ha anrikning av sekvenser.
3. Analys för transposastillgänglig kromatinsekvensering ( ATAC-seq ) används för att titta in i regioner som är nukleosomfria (öppet kromatin). Den använder hyperaktiv Tn5-transposon för att framhäva nukleosomlokalisering.