2006-06-08 23:52:39王建明郭泓志 Go! Go!
組織蛋白乙烯化修正會調控染色質結構
真核生物(eukarytotes，包含動物、植物)的去氧核醣核酸(DNA)是以染色質的方式存在。染色質包含了組織蛋白(histone)、DNA和一些附著在染色質上的黏附蛋白質。構成染色質的基本單位是核體(nucleosome)，核體由八個組織蛋白所構成，包含H2A、H2B、H3和H4各兩個。DNA像絲線一樣地纏繞在這些組織蛋白上面，八個組織蛋白在組合成像小球一般的核體。核體就像一條線(DNA)上的許多小珠子一樣，串成一整條珠子串，稱為染色質(chromatin)。染色質可以進一步摺疊成直徑約30奈米(30 nm)的粗體。當這條由DNA和組織蛋白等蛋白構成的染色質，更進一步壓縮後，便會成為非常緊密的粗條，這便是顯微下看得見的染色體 (chromosome)。DNA上帶著遺傳密碼，這些遺傳密碼分成無數個群組，分別決定身體上的許多特徵和機能的調控，這些一群一群的遺傳密碼便稱為基因(gene)。真核生物體內的基因表現，是當細胞接受到某一類的訊息後，DNA某一片段便根據指令透過聚合脢(RNA polymerase)轉錄 (transcribe)為訊息核醣核酸(messenger RNA)，即mRNA。mRNA帶著由DNA轉錄而來的遺傳密碼。mRNA再藉由核醣體(ribosome)和核醣體核醣核酸(ribosome RNA，rRNA)，利用傳遞者核醣核酸(transfer RNA、tRNA)為原料，將遺傳密碼轉譯(translation)為蛋白質。蛋白質由胺基酸(amino acid)所構成，每個胺基酸由三個遺傳密碼(codon)決定，被產生的一長串胺基酸，再摺疊成一些立體結構，成為有功能作用的蛋白質。
由於在染色質中，DNA被層層的組織蛋白所包圍，因此當要表現某一段DNA內的基因時，必須先「打開」這些組織蛋白，也就是先改變染色質該部分的形狀結構，讓裡面的DNA能夠和聚合脢等蛋白質接觸結合，這樣才能轉錄遺傳密碼，也才能表現基因。一但基因表現結束，便要再度關閉該段組織蛋白，以免基因過量表現，而產生諸如癌症等的疾病。由於若能解開如何「關閉」和「開啟」染色質的謎，便能對基因的表現與調控有更深入的瞭解，因此這個問題一直是分子生物學家急於解開的謎題。最近的研究顯示，組織蛋白末端(tail)胺基酸的修改可能是一個關鍵。組織蛋白若被乙烯化(acetylation)，便會促成染色質的「打開」，若被甲基化(methylation)，就會促成染色質的「關閉」。當核體內的組織蛋白被乙烯化超過六個，便會妨害DNA形成更粗的30奈米的結構，也就是較易被打開而表現基因。而H4尾端第14到第23位置的胺基酸的狀態對於形成更粗結構有決定性的影響，特別是H4這些位置上的離氨酸 (lysine)的乙烯化與否更是關鍵，這個位置稱為H4-K16。
今年二月分，麻省大學醫學院的Craig Peterson領導的研究團隊中的博士後研究員Michael Shogran-Knaak等人在科學(Science)雜誌上發表，透過其三年前發展出的技術：化學接合技術(native chemical ligation strategy)，製造修正過的H4組織蛋白。他們將H4組織蛋白的N端(胺基端)的第1到22個胺基酸，接上乙烯化的離氨酸和硫酯 (thioester) C端(碳酸根端)，再接上將精氨酸(arginine)至換成半胱氨酸(cysteine)的H4組織蛋白的C端尾巴(第23到102位置的胺基酸)，這樣便產生乙烯化離氨酸H4組織蛋白(acetylation of histone H4 on lysine 16)，簡稱H4-K16Ac。這些研究者發現，H4-K16Ac的乙烯化，會阻撓DNA形成更粗更緊密的30 nm的結構，也就是更利於基因表現。一般而言，在溶液中添加鎂(magnesium)，會促進染色質中的DNA和核體組成更緊密的研究。但是H4- K16Ac的乙烯化，卻會使得DNA和核體，即使添加鎂，依然會保持成串滿小珠的長線狀，而無法進一步摺疊包裹成30 nm的粗體。DNA形成更粗更緊密的結構是需要耗費能量的，其使用的是細胞中最普遍的能量單位ATP(三磷酸腺嘌呤，adenosine triphosphate)。一種稱為ACF的複合酶(Drosophila ISWI-containing adenosine triphosphate (ATP)–utilizing chromatin assembly and remodeling enzyme (ACF) complex)，會分解ATP，產生能量，並協助DNA和核體(nucleosome)滑動位移，摺疊成更緊密的結構。研究者發現，H4-K16Ac的乙烯化，不但會妨害ATP的利用，也會阻撓ACF複合酶的作用。因此研究者認為，H4-K16Ac乙烯化，對於決定染色質的結構和影響非組織蛋白分子(如 ACF)與染色質間的作用具有極重要的地位。
研究者指出，酵母菌80%的H4都在這個位置(lysine 16)乙烯化，且這些片段的基因大多是「打開」。由於再其他細胞實驗中，lysine 16位置的乙烯化會促進基因的轉錄和表現，而且組織蛋白其他位置的修正，例如H3-S10磷酸化(phosphorylation)、H3 Gcn5p的三乙烯化(triacetylation)或是H4 1-13位置的乙烯化都未能改變染色質的結構，因此這些研究者認為，H4-K16Ac位置的乙烯化可能是獨一無二控制染色質結構和基因表現的位置。由於 H4-K16Ac的乙烯化是可逆的(reversible)，因此就像一個開關一樣，細胞對於某個基因是不是要表現，就透過調控H4-K16Ac這個開關：予以乙烯化就能打開染色質結構並促進基因的轉錄和表現，反之，若不乙烯化，則會使染色質形成更緊密的結構，而阻撓複合酶等蛋白接觸DNA，因而抑制該基因的轉錄和表現。一旦對於H4-K16Ac的乙烯化調控有更進一步地瞭解的話，人們將能更有效掌控基因的表現。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)
由於在染色質中，DNA被層層的組織蛋白所包圍，因此當要表現某一段DNA內的基因時，必須先「打開」這些組織蛋白，也就是先改變染色質該部分的形狀結構，讓裡面的DNA能夠和聚合脢等蛋白質接觸結合，這樣才能轉錄遺傳密碼，也才能表現基因。一但基因表現結束，便要再度關閉該段組織蛋白，以免基因過量表現，而產生諸如癌症等的疾病。由於若能解開如何「關閉」和「開啟」染色質的謎，便能對基因的表現與調控有更深入的瞭解，因此這個問題一直是分子生物學家急於解開的謎題。最近的研究顯示，組織蛋白末端(tail)胺基酸的修改可能是一個關鍵。組織蛋白若被乙烯化(acetylation)，便會促成染色質的「打開」，若被甲基化(methylation)，就會促成染色質的「關閉」。當核體內的組織蛋白被乙烯化超過六個，便會妨害DNA形成更粗的30奈米的結構，也就是較易被打開而表現基因。而H4尾端第14到第23位置的胺基酸的狀態對於形成更粗結構有決定性的影響，特別是H4這些位置上的離氨酸 (lysine)的乙烯化與否更是關鍵，這個位置稱為H4-K16。
今年二月分，麻省大學醫學院的Craig Peterson領導的研究團隊中的博士後研究員Michael Shogran-Knaak等人在科學(Science)雜誌上發表，透過其三年前發展出的技術：化學接合技術(native chemical ligation strategy)，製造修正過的H4組織蛋白。他們將H4組織蛋白的N端(胺基端)的第1到22個胺基酸，接上乙烯化的離氨酸和硫酯 (thioester) C端(碳酸根端)，再接上將精氨酸(arginine)至換成半胱氨酸(cysteine)的H4組織蛋白的C端尾巴(第23到102位置的胺基酸)，這樣便產生乙烯化離氨酸H4組織蛋白(acetylation of histone H4 on lysine 16)，簡稱H4-K16Ac。這些研究者發現，H4-K16Ac的乙烯化，會阻撓DNA形成更粗更緊密的30 nm的結構，也就是更利於基因表現。一般而言，在溶液中添加鎂(magnesium)，會促進染色質中的DNA和核體組成更緊密的研究。但是H4- K16Ac的乙烯化，卻會使得DNA和核體，即使添加鎂，依然會保持成串滿小珠的長線狀，而無法進一步摺疊包裹成30 nm的粗體。DNA形成更粗更緊密的結構是需要耗費能量的，其使用的是細胞中最普遍的能量單位ATP(三磷酸腺嘌呤，adenosine triphosphate)。一種稱為ACF的複合酶(Drosophila ISWI-containing adenosine triphosphate (ATP)–utilizing chromatin assembly and remodeling enzyme (ACF) complex)，會分解ATP，產生能量，並協助DNA和核體(nucleosome)滑動位移，摺疊成更緊密的結構。研究者發現，H4-K16Ac的乙烯化，不但會妨害ATP的利用，也會阻撓ACF複合酶的作用。因此研究者認為，H4-K16Ac乙烯化，對於決定染色質的結構和影響非組織蛋白分子(如 ACF)與染色質間的作用具有極重要的地位。
研究者指出，酵母菌80%的H4都在這個位置(lysine 16)乙烯化，且這些片段的基因大多是「打開」。由於再其他細胞實驗中，lysine 16位置的乙烯化會促進基因的轉錄和表現，而且組織蛋白其他位置的修正，例如H3-S10磷酸化(phosphorylation)、H3 Gcn5p的三乙烯化(triacetylation)或是H4 1-13位置的乙烯化都未能改變染色質的結構，因此這些研究者認為，H4-K16Ac位置的乙烯化可能是獨一無二控制染色質結構和基因表現的位置。由於 H4-K16Ac的乙烯化是可逆的(reversible)，因此就像一個開關一樣，細胞對於某個基因是不是要表現，就透過調控H4-K16Ac這個開關：予以乙烯化就能打開染色質結構並促進基因的轉錄和表現，反之，若不乙烯化，則會使染色質形成更緊密的結構，而阻撓複合酶等蛋白接觸DNA，因而抑制該基因的轉錄和表現。一旦對於H4-K16Ac的乙烯化調控有更進一步地瞭解的話，人們將能更有效掌控基因的表現。
褚志斌 (芝加哥大學博士後研究員)