Methyl hóa DNA và Biến đổi Histone

Methyl hóa DNA và biến đổi histone là hai hệ thống đánh dấu biểu sinh cộng hóa trị được mô tả rõ nhất. Tác động lên chính DNA và các protein histone mà DNA quấn quanh, chúng giúp thiết lập các mô hình biểu hiện gen có thể di truyền qua quá trình phân chia tế bào mà không làm thay đổi trình tự DNA cơ bản. Lĩnh vực này tập hợp các dấu hiệu hóa học, các enzyme đặt và loại bỏ chúng, và các protein giải thích chúng.

Definition

Methyl hóa DNA và biến đổi histone là những thay đổi hóa học cộng hóa trị, có thể đảo ngược bằng enzyme, đối với các bazơ DNA và protein histone, điều hòa cấu trúc chất nhiễm sắc và phiên mã gen trong khi vẫn giữ nguyên trình tự DNA, và cùng nhau tạo thành một lớp cốt lõi của điều hòa biểu sinh.

Scope

Lĩnh vực này định hướng người đọc về các dấu hiệu cộng hóa trị trên chất nhiễm sắc: methyl hóa cytosine trong DNA, và quá trình acetyl hóa, methyl hóa, cùng các biến đổi liên quan của đuôi histone. Nó giới thiệu các họ enzyme thiết lập, giải thích và đảo ngược các dấu hiệu này, cũng như cách hai hệ thống được liên kết về mặt cơ chế. Việc xử lý chi tiết từng dấu hiệu và lớp enzyme được giao cho các mục chủ đề; bản thân lĩnh vực này là một cái nhìn tổng quan định hướng và không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Sub-topics

• DNA Methylation
• DNA Methyltransferases and TET Enzymes
• Histone Acetylation
• Histone Methylation
• Writers, Readers, and Erasers of Epigenetic Marks

Core questions

• Các dấu hiệu cộng hóa trị trên DNA và histone ảnh hưởng như thế nào đến việc một gen có được phiên mã hay không?
• Những họ enzyme nào đặt, đọc và loại bỏ các dấu hiệu này, và hoạt động của chúng được nhắm mục tiêu như thế nào?
• Các hệ thống methyl hóa DNA và biến đổi histone được ghép nối cơ học như thế nào?
• Các dấu hiệu này được truyền qua quá trình sao chép DNA như thế nào để tạo ra trí nhớ biểu sinh?

Key concepts

• Các dấu hiệu cộng hóa trị chất nhiễm sắc
• 5-methylcytosine
• Các biến đổi đuôi histone
• Các enzyme ghi, đọc và xóa
• Sự tương tác chéo giữa methyl hóa DNA và các dấu hiệu histone
• Các trạng thái biểu hiện gen có thể di truyền
• Dị nhiễm sắc và nguyên nhiễm sắc

Key theories

Giả thuyết mã histone

Các sự kết hợp khác biệt của các biến đổi histone được đề xuất tạo thành một 'mã' được các protein tác động đọc để xác định trạng thái chất nhiễm sắc và kết quả phiên mã, mở rộng khả năng thông tin của bộ gen vượt ra ngoài trình tự DNA.

Trí nhớ biểu sinh thông qua các dấu hiệu cộng hóa trị

Các mô hình methyl hóa DNA, được truyền bởi các methyltransferase duy trì sau khi sao chép, cung cấp một cơ chế mà các trạng thái biểu hiện gen được ghi nhớ qua các thế hệ tế bào.

Mechanisms

Hai lớp tương tác hoạt động trên chất nhiễm sắc. Trong lớp thứ nhất, các nhóm methyl được thêm vào các bazơ cytosine trong DNA, chủ yếu tại các dinucleotide CpG, có thể tuyển dụng các phức hợp ức chế và ổn định sự im lặng phiên mã. Trong lớp thứ hai, các đuôi N-terminal của histone được trang trí bằng các nhóm acetyl, methyl và các nhóm khác làm thay đổi sự cô đặc của chất nhiễm sắc và tạo ra các vị trí neo đậu cho các protein tác động. Hai lớp được ghép nối: DNA bị methyl hóa và các dấu hiệu histone đặc hiệu tuyển dụng bộ máy của nhau, củng cố các trạng thái ức chế hoặc cho phép. Các dấu hiệu được đặt bởi các enzyme 'ghi' (writer), được nhận diện bởi các mô-đun 'đọc' (reader), và được loại bỏ bởi các enzyme 'xóa' (eraser), làm cho hệ thống trở nên năng động và có thể đảo ngược.

Clinical relevance

Các dấu hiệu biểu sinh cộng hóa trị bị thay đổi trong nhiều trạng thái bệnh, và việc hiểu chúng là nền tảng để giải thích các nghiên cứu biểu sinh và biểu gen trong khoa học sức khỏe. Lĩnh vực này mô tả cách các dấu hiệu và enzyme của chúng được tổ chức như một tài liệu tham khảo để nghiên cứu thêm; nó mang tính mô tả và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Evidence & guidelines

Lĩnh vực này tổng hợp các tài liệu cơ bản và tổng quan về sinh học chất nhiễm sắc. Sự ghép nối của các hệ thống methyl hóa DNA và biến đổi histone cùng vai trò của chúng trong điều hòa gen di truyền đã được thiết lập vững chắc trong sinh học phân tử, mặc dù các gán cụ thể từ dấu hiệu đến chức năng vẫn tiếp tục được tinh chỉnh khi các phương pháp lập bản đồ toàn bộ gen trưởng thành.

History

Sự công nhận rằng methyl hóa DNA có thể mang thông tin điều hòa di truyền xuất hiện vào những năm 1970 và 1980, và tổng hợp của Bird đã định hình nó như một cơ sở cho trí nhớ biểu sinh. Song song đó, việc phát hiện ra rằng các đuôi histone được biến đổi rộng rãi và có thể đảo ngược, được kết tinh bởi 'ngôn ngữ của các biến đổi histone cộng hóa trị' của Strahl và Allis, đã thiết lập hệ thống đánh dấu chính thứ hai. Hai luồng này đã hội tụ thành một cái nhìn tích hợp về đánh dấu chất nhiễm sắc cộng hóa trị trong hai thập kỷ tiếp theo.

Key figures

• C. David Allis
• Thomas Jenuwein
• Adrian Bird
• Tony Kouzarides
• Howard Cedar

Seminal works

• bird-2002
• strahl-allis-2000
• kouzarides-2007
• cedar-bergman-2009

Frequently asked questions

Methyl hóa DNA và biến đổi histone có làm thay đổi trình tự DNA không?

Không. Cả hai đều là các dấu hiệu hóa học cộng hóa trị trên các bazơ DNA hoặc protein histone ảnh hưởng đến biểu hiện gen và cấu trúc chất nhiễm sắc mà không làm thay đổi trình tự nucleotide cơ bản, điều này làm cho chúng trở thành biểu sinh.

Hai hệ thống đánh dấu này có liên quan với nhau như thế nào?

Chúng được ghép nối về mặt cơ chế: DNA bị methyl hóa và các biến đổi histone cụ thể có thể tuyển dụng các enzyme và protein đọc của nhau, do đó hai hệ thống củng cố các trạng thái chất nhiễm sắc ức chế hoặc cho phép chung.