2018年拉斯克奖之组蛋白修饰与基因表达

撰文 | Bruce Stillman

编译 | 兮

2018年Albert Lasker基础医学研究奖授予了洛克菲勒大学的David Allis和加州大学洛杉矶分校的Michael Grunstein，以表彰他们在组蛋白及其翻译后修饰在控制基因表达中所做出的贡献（For discoveries elucidating how gene expression isinfluenced by chemical modification of histones—the proteins thatpackage DNA within chromosomes）。

同年，冷泉港实验室Bruce Stillman教授（从2003年起任冷泉港实验室主席）在Cell上发表了文章Histone Modifications:Insights into Their Influence on Gene Expression，总结了两位获奖者的工作历程。现BioArt特主要参考该文章将组蛋白修饰与转录的历程呈现如下。

一、染色质和基因表达

一百多年来，人们已经认识到真核生物中的染色体同时包含DNA和蛋白质，这些蛋白质也包括组蛋白。很长一段时间，许多人认为蛋白质成分也携带有遗传信息，但是当DNA的双螺旋结构确定后，该观点发生了变化，遗传信息隐藏在了DNA之中，而DNA不仅可以遗传还可以突变。

1974年，Roger Kornberg在Science上发表文章Chromatin structure: a repeating unit ofhistones and DNA，提出染色质由重复的核小体单元组成，每一个核小体包含四个不同组蛋白成分，并且每一个成分都有两个拷贝，同时含有大约200bp的DNA【1】。

随后，针对核小体颗粒的高分辨率结构揭示了其细节，轻微扭曲的双螺旋围绕核心组蛋白八聚体（2xH2A，2xH2B，2xH3，2xH4）绕了两圈。另外，组蛋白氨基酸序列的细微不同可以增加染色体内核小体类型和功能的多样性【2】，例如，组蛋白H3在细胞中的大多数核小体中都以H3.1或H3.2的形式存在，但是H3.3通常与转录的DNA相关，并且在着丝粒处发现了相关的变体CenH3，但这些差异的组蛋白与转录有何种关系以及对于核功能的影响如何却不甚清楚。

提出核小体的结构三年后即1977年，在冷泉港实验室举行的关于染色质的著名研讨会上进行了很多讨论，重点讨论了组蛋白和染色质如何影响基因表达。有关组蛋白功能的设想从被动参与染色质结构到主动抑制基因表达等，但许多讨论都是推测性的，尚无定论。

从左至右依次为：Pierre Chambon, Markus Noll, Francis Crick

往回倒13年即1964年，Vincent Allfrey在PNAS上发表文章Acetylation and methylation of histones andtheir possible role in the regulation of RNA synthesis，发现组蛋白被翻译后会有乙酰化和甲基化修饰，并且推测这些修饰与基因表达相关【3】。然而，尽管他发表了大量论文，但仅这些研究并不能证明这些组蛋白修饰对于转录控制至关重要。但尽管如此，Allfrey在组蛋白领域做出了开拓性的研究（该PNAS文章已被引用2500多次）。可惜的是，Allfrey于2002年去世，因此无缘拉斯克奖。在这些早期相关发现的基础上，David Allis和Michael Grunstein的研究改变了我们如何理解组蛋白在基因表达控制中的作用，并扩大了人们对染色质的复杂性和美感的认识。

二、酵母中的发现

那么组蛋白与基因表达的关系是怎样的呢？

Grunstein证明组蛋白在酿酒酵母（S. cerevisiae）中的基因表达激活中起主要作用。1988年，Grunstein在Cell杂志上发表文章Nucleosome lossactivates yeast downstream promoters in vivo，设计了一种酵母菌株，可以控制细胞中组蛋白H4的水平，当组蛋白H4水平降低时，某些基因如PHO5的表达升高了（在低磷酸盐水平下PHO5才被激活，而在正常水平的磷酸盐条件下PHO5不被激活）【4】。

有趣的是，并非所有基因的反应方式都与PHO5相同，因此推测在PHO5启动子的H4核小体抑制了该基因转录。与该观察结果一致，Grunstein表明，降低组蛋白H4时，PHO5的启动子更容易被核酸酶消化。这项早期研究似乎证实了曾被怀疑的事实，即核小体位于某些启动子上可以控制基因的表达，这与长期以来一直认为核小体中的组蛋白只是被动阻碍位点特异性转录因子并阻止其发生的观点一致。但是这种观点很快就被改变了。

酵母中组蛋白H4是如何影响基因表达的呢？

利用上述H4表达控制模型，Grunstein随后对H4进行定点突变，包括删除或突变组蛋白H4尾部氨基末端中的特定氨基酸。他证明了组蛋白H4氨基末端的缺失，尤其是保守性的赖氨酸（K）残基的突变（已知赖氨酸可被乙酰化和去乙酰化）会影响相应的基因表达。在1991年时，Grustein在Cell上发表文章Yeast histone H4 N-terminal sequence is required for promoter activationin vivo，利用这种突变组蛋白H4的酵母模型，Grunstein发现在半乳糖处理中GAL1的转录被激活，而在低磷酸盐水平下PHO5的激活受到影响。同上，并不是所有的基因都受到影响，比如组成型激活基因就没有受到影响。这些结果表明，组蛋白H4中的赖氨酸残基以及可能的乙酰化是诱导基因表达所必需的。

上述这些研究都是证明了组蛋白H4与基因的激活相关，那么H4是否与基因的表达抑制也相关呢？

在出芽酵母中另一个被研究的比较充分的基因调节系统是可遗传沉默型配对基因座HMLα和HMRα，其沉默由SIR1、SIR2、SIR3和SIR4（现在知道这四个是NAD依赖型组蛋白去乙酰化酶）介导。1990年，Grunstein在PNAS上发表文章Genetic evidence for aninteraction between SIR3 and histone H4 in the repression of the silent matingloci in Saccharomyces cerevisiae，证明了HMLα和HMRα的沉默需要H4尾端的氨基酸残基尤其是K16的乙酰化【5】。

1996年，Grunstein在Nature发表文章（终于又到Nature了）Spreading of transcriptional repressor SIR3 from telomericheterochromatin，揭示SIR3、SIR4与H3、H4存在互作。SIR3和SIR4可以通过与序列特异性DNA结合蛋白以及组蛋白相互作用而沿着染色质分布，另外其在端粒以及高度重复的核糖体基因的转录抑制中也发挥了一定的作用【6】。

因此，Grunstein的研究为揭示组蛋白，特别是组蛋白氨基末端尾巴在基因转录控制中的关键作用打开了大门：组蛋白即可参与激活基因表达，也可参与抑制基因表达。重要的是，这些关注组蛋白H4氨基末端的赖氨酸残基为基因转录的调控的工作为研究组蛋白乙酰化奠定了基础（图1)。

图1.组蛋白修饰和基因表达

上：通过对啤酒糖酵母和四膜虫两种模式生物的研究发现了核小体中的组蛋白可以通过特定位点的翻译后修饰影响基因的转录。中：核糖体中的组蛋白（H3·H4）2（H2A·H2B）2 核心八聚体和组蛋白尾巴可以在特定位点进行修饰，writer蛋白可以在相邻染色质上进行组蛋白修饰。底部：组蛋白修饰可以激活（绿色）或抑制（红色）基因转录。

三、四膜虫中的发现

目光转移到David Allis身上，Allis采用了另外一种模式生物——四膜虫（Tetrahymena）来研究组蛋白及翻译后修饰。四膜虫的细胞核有大小两个，其中小核（micronucleus）含有五对染色体，负责保存四膜虫用于传宗接代的遗传信息，是分裂过程和交换遗传物质时的主角；大核（macronucleus）负责日常的基因表达。

1986年，Allis在JBC上发表文章Nonrandom utilization of acetylation sites in histones isolated fromTetrahymena. Evidence for functionally distinct H4 acetylation sites，揭示了四膜虫大核中组蛋白H3和H4末端存在有非随机的乙酰化赖氨酸【7】。

染色质和基因调控一个重大的、关键的转折点起始于1996年，当年Allis在Cell上发表文章Tetrahymena histone acetyltransferase A: a homolog to yeast Gcn5plinking histone acetylation to gene activation，最先在四膜虫中鉴定到了一个组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase typeA，HAT A），该酶与酵母中的GCN5同源，还鉴定了GCN5具有乙酰转移酶活性【8】。

同年，Allis还在Nature上发表文章Transcription-linked acetylation by Gcn5p of histones H3 and H4 atspecific lysines，揭示与B型乙酰转移酶不同，GCN5可以乙酰化组蛋白H3和H4尾部特定的赖氨酸，即H3K14、H4K8，H4K16由GCN5负责乙酰化，而与染色质组装有关的H4K5和H4K12由B型乙酰转移酶负责乙酰化【9】。

Allis认识到乙酰转移酶在组蛋白尾部使特定的赖氨酸乙酰化，这类似于蛋白激酶识别特定氨基酸序列基序的底物特异性。Allis的这些发现使人们重新开始审视转录领域，尤其是组蛋白修饰对于基因转录的控制，同时该领域也吸引了大量科研工作者的关注。

正如磷酸酶可以逆转蛋白质的磷酸化一样，组蛋白去乙酰化酶可以逆转组蛋白的乙酰化。1990年，Teruhiko Beppu及其同事在JBC杂志上发表了文章Potent and specific inhibition of mammalian histonedeacetylase both in vivo and in vitro by trichostatin A，发现了在链霉菌中发现了天然产物（R）-trichostatin A（TSA），TSA可抑制哺乳动物细胞中的细胞增殖和分化，并可增强组蛋白的乙酰化水平【10】。1993年，Beppu又在JBC上发表文章Trapoxin, an antitumor cyclic tetrapeptide, isan irreversible inhibitor of mammalian histone deacetylase，发现了曲霉毒素，一种来源于真菌中的肽，可以增加体内组蛋白乙酰化水平，抑制组蛋白去乙酰化酶【11】。1996年，Stuart Schreiber从人Jurkat T细胞中鉴定到了去乙酰化酶HD1，并揭示该酶和酵母中的转录调节蛋白RPD3相似，因此推测HD1具有调控真核细胞转录的功能【12】。这些研究促进了组蛋白乙酰化和去乙酰化与转录调控之间的联系。

四、修饰的爆发

Allis与ThomasJenuwein发现了第一个可催化组蛋白尾巴特异氨基酸的组蛋白甲基转移酶。该研究引发了发现甲基转移酶的一波高潮，同时也导致了组蛋白去甲基转移酶的发现（详情请阅读2016年发表在Annu. Rev. Biochem.杂志上的综述文章Chromatin modifications bymethylation and ubiquitination: implications in the regulation of geneexpression【13】）。在这之后，Allis以及其他课题组提出了“组蛋白密码”的概念，这一密码由相应的可结合在组蛋白上面特定的酶来解析。现在，我们知道了大量的组蛋白的修饰包括：乙酰化、甲基化（同一位置不同功能的mono-, di-, 和tri-）、磷酸化、泛素化、ADP-核糖基化、以及研究相对较少的诸如琥珀酰化、丁酰化等（请阅读2014年Cell上的一篇Snapshot：SnapShot: histonemodifications）【14】。

为了更好地识别并研究组蛋白上特定位点的修饰，Allis开发了很多抗体。Grustein利用这些抗体结合PCR反应即（染色质免疫沉淀技研究了酵母基因组中赖氨酸乙酰化图谱。现在ChIP-Seq已然已经陈文研究组蛋白修饰最常用的技术手段。

自Allis和Grunstein的开创性工作以来，人们对染色质修饰及其对基本细胞过程（如染色体结构，基因转录，DNA复制和DNA修复）的影响进行了大量研究。另外由于大量存在的核小体中组蛋白是乙酰化和去乙酰化的底物，而所有这些乙酰基标记的主要供体，乙酰辅酶A，也是细胞代谢（包括碳水化合物和脂质的合成）以及细胞能量输出所需的。因此，细胞代谢和组蛋白修饰不可避免地联系在一起。

现在，已知有超过100种识别各种组蛋白标记的“reader”蛋白，大约50个“writer”蛋白负责修饰组蛋白，同时大约有12种“eraser”蛋白可以去除组蛋白修饰标记。这种多样化的蛋白与许多疾病相关，甚至有些突变还可在癌症中发现，这也是正是Allis实验室和许多其他实验室近期研究的重点。现在，许多writer蛋白已经成为多种疾病的药物靶标。深入理解这些writer、reader和eraser将会加深我们对于生物学的理解。

五、启示

从Grunstein和Allis的研究历程中，我们可以学到有很多重要的东西。但也许最重要的是，通过对模式生物的研究，例如酿酒酵母S. cerevisiae和四膜虫Tetrahymena，揭示对生物学和医学的深刻见解。Allis对四膜虫的研究还提示我们：某些生物具有独特的生物学过程（例如大核），这有助于建立并拓展我们对于所有生物中基因调控的理解。实际上，端粒酶的发现即是利用多个相同的生物系统。“存在即合理”，研究生物中的“存在”是很值得的，而这些研究有可能是突破性的，为我们打开新世界的大门。

David Allis和Michael Grunstein在生物学的许多领域做出了重要贡献，他们在染色质和组蛋白修饰上的发现引发了该领域研究的爆炸式增长，这改变了人们对真核生物基因表达控制的认识。尽管其他许多人为我们目前的认知做出了重大贡献，但这两位杰出的科学家的早期研究使他们值得获得2018年阿尔伯特·拉斯克基础医学研究奖。

致敬骨灰级表观遗传学家C. David Allis

制版人：小娴子

参考文献

1. Kornberg, R.D. (1974). Chromatinstructure: a repeating unit of histones and DNA.Science184, 868–871.

2. Luger, K., Dechassa, M.L., and Tremethick, D.J.(2012). New insights into nucleosome and chromatin structure: an ordered stateor a disordered affair?Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 13, 436–447.

3. Allfrey, V.G., Faulkner, R., and Mirsky, A.E.(1964). Acetylation and methylation of histones and their possible role in theregulation of RNA synthesis.Proc.Natl. Acad. Sci. USA51, 786–794.

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8. Brownell, J.E., Zhou, J., Ranalli, T.,Kobayashi, R., Edmondson, D.G., Roth, S.Y., and Allis, C.D. (1996). Tetrahymena histone acetyltransferase A: a homolog to yeastGcn5p linking histone acetylation to gene activation.Cell84, 843–851.

9. Kuo, M.H., Brownell, J.E., Sobel, R.E., Ranalli,T.A., Cook, R.G., Edmondson, D.G., Roth, S.Y., and Allis, C.D. (1996). Transcription-linked acetylation by Gcn5p of histones H3 andH4 at specific lysines.Nature383, 269–272.

10. Yoshida, M., Kijima, M., Akita, M., and Beppu,T. (1990). Potent and specific inhibition of mammalian histonedeacetylase both in vivo and in vitro by trichostatin A.J. Biol. Chem.265, 17174–17179.

11. Kijima, M., Yoshida, M., Sugita, K., Horinouchi,S., and Beppu, T. (1993). Trapoxin, an antitumor cyclictetrapeptide, is an irreversible inhibitor of mammalian histone deacetylase.J. Biol. Chem.268, 22429–22435.

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