组蛋白（histone）是真核生物体细胞染色质中的一种碱性蛋白质，主要分成5类，分别称为H1、H2A、H2B、H3和H4。与普通蛋白不同，组蛋白具有高度保守的氨基酸序列和相似的结构，其富含精氨酸和赖氨酸的碱性氨基酸残基，可与酸性的DNA共同组成核小体结构。组蛋白是染色质的主要组分，作为DNA缠绕的线轴，在基因调控中发挥重要作用。染色质的结构、核小体定位和最终接近DNA 进行的基因转录在很大程度上由组蛋白控制。

每个核小体由两个相同的亚基组成，每个亚基含有四个组蛋白：H2A、H2B、H3和H4。每个组蛋白上都伸出了一小段“尾巴”（tail），这是蛋白质的N端（存在大量可以被修饰的氨基酸，可以被不同的蛋白质结合或作为酶底物位点），组蛋白修饰就是在这个尾巴上进行的。同时，还有一个组蛋白H1，起到稳定核小体间 DNA 的作用，但不属于核小体的组成部分。

组蛋白修饰是指在组蛋白的氨基酸残基上所进行一系列修饰，目前已发现的组蛋白修饰有10种以上，包括：组蛋白甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、苏素化、生物素化、乳酸化、瓜氨酸化、N-乙酰葡萄糖胺糖基化、巴豆酰化等等。这些组蛋白修饰会影响下游蛋白的表达及功能的发挥，细胞的状态，影响胚胎的发生和发育，是表观遗传信息的重要载体和生命活动的重要调控因子。

组蛋白的各种修饰属于可逆共价修饰，组蛋白修饰的调控可以被归类为三类蛋白：Writers、Erasers和Readers。其中，Writers是催化某种修饰发生的酶，负责在组蛋白上添加修饰基团。Erasers是使某种修饰去除的酶，负责去除组蛋白上修饰基团的蛋白，恢复组蛋白的原始状态。Readers是可以识别某种修饰的蛋白质，能够识别和结合特定修饰基团的蛋白基因表达和其他细胞过程。这三类蛋白共同参与组蛋白的动态修饰和功能调节。事实上，每一个不同位点的不同种修饰都对应不同的Writers、Erasers和Readers

组蛋白修饰的类型众多，所以在描述组蛋白修饰时，有一个规则：

组蛋白结构 + 氨基酸名称 + 氨基酸位置 + 修饰类型

例如：H3K4me3：代表H3组蛋白的第4位赖氨酸的三甲基化

3.1. 组蛋白乳酸化修饰

组蛋白乳酸化修饰是2019年新发现的，已成为近几年的研究热点。组蛋白乳酸化是将乳酸基团添加到组蛋白的赖氨酸残基上，从而调节染色质结构和基因表达。这种修饰在肿瘤、免疫等领域具有重要的生物学功能。

组蛋白乳酸化修饰的调控酶，包括乳酸化酶和去乳酸化酶，对维持细胞内乳酸化水平的动态平衡至关重要。例如，天津医科大学张锴教授课题组发现HBO1可作为组蛋白乳酸化修饰的Writer，通过介导H3K9la调控基因转录，影响肿瘤进程

乳酸化修饰的发现为理解细胞代谢与基因表达之间的联系提供了新的视角。例如，芝加哥大学赵英明教授课题组在《Nature》上发表的研究中，首次报道了组蛋白H3K18乳酸化修饰，并揭示了其在细菌感染的M1巨噬细胞的稳态调控中的作用。此外，该修饰还与肿瘤细胞的代谢特征--Warburg效应有关，该效应表现为肿瘤细胞即使在有氧条件下也倾向于通过糖酵解途径代谢葡萄糖，导致乳酸的大量积累。

组蛋白乙酰化通过在组蛋白的特定赖氨酸残基上添加乙酰基团来实现，是最早发现的影响转录调控的组蛋白修饰之一，因此目前研究的最多。这种修饰通常与基因的激活表达相关联，能够改变染色质的结构，降低组蛋白与DNA之间的相互作用，从而促进转录因子的结合和基因的转录。

组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶（HATs）催化，而组蛋白去乙酰化酶（HDACs）则负责去除乙酰基团。在细胞周期调控、细胞增殖和凋亡等过程中，组蛋白乙酰化都发挥着关键作用。此外，组蛋白乙酰化的失衡与肿瘤的发生和进展有关。

在医学研究中组蛋白乙酰化研究的最充分的是H3K27ac，H3K27ac主要位于活跃转录基因的启动子和增强子区域，在这些区域它与H3K4me3共存，一起促进基因激活表达。此外，H3K27ac还可在基因间区域形成超级增强子，进一步促进基因表达。

3.3. 组蛋白甲基化修饰

组蛋白甲基化发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲基化，且目前研究比较多的组蛋白甲基化主要是发生在组蛋白H3和H4上的。这种修饰对基因的转录活性有显著影响，可以促进或抑制基因表达，具体取决于甲基化发生的位点和甲基化的程度。

组蛋白甲基化由特定的酶类进行调节，包括组蛋白甲基转移酶(HMTs)和组蛋白去甲基化酶(KDMs)。HMTs负责添加甲基化团，而KDMs则负责去除甲基化团，这些酶的活性对维持细胞内组蛋白甲基化水平的动态平衡至关重要。值得注意的是，尽管组蛋白甲基化曾被认为是一种稳定的修饰，但最新研究发现它是一个可逆的过程，具有动态调控的特性

组蛋白甲基化是在组蛋白残基上添加或去除甲基，从而改变染色质的结构。甲基化可以发出激活或抑制的信号，从而促进或者抑制基因的表达。例如，H3K4me3：通常出现在活跃基因的启动子区域和双价结构域，与基因的激活密切相关。H3K9me3：主要标记异染色质、卫星重复序列和基因贫乏区域，与基因的抑制相关。H3K27me3：在基因富集区域的抑制性启动子上发现，控制胚胎干细胞中的发育调控因子，如Hox和Sox基因。H3K36me3：主要出现在基因的转录区域，与基因的激活相关。

3.4. 组蛋白磷酸化修饰

组蛋白磷酸化通常发生在丝氨酸（S）、苏氨酸（T）和酪氨酸（Y）氨基酸残基上。蛋白激酶（PTKs）催化组蛋白的磷酸化，蛋白磷酸酶（PPs）催化组蛋白的去磷酸化。这种修饰在调控染色质结构和多种细胞过程中发挥关键作用，尤其是在细胞周期调控、细胞增殖、凋亡以及DNA复制和修复中。

组蛋白磷酸化通过减少组蛋白的正电荷，影响组蛋白与DNA的相互作用，从而参与染色质重塑和基因表达调控。例如，H3S10的磷酸化通常与染色质的致密化和转录激活相关，而H3T3和H3S10的磷酸化则参与有丝分裂过程中的染色体结构和功能调节。组蛋白磷酸化还与多种细胞信号传导途径相关，可以作为细胞内外信号的响应，快速调整细胞功能。

3.5. 组蛋白泛素化修饰

组蛋白泛素化是一种涉及将泛素这一小分子蛋白添加到组蛋白特定赖氨酸残基上的修饰过程。这种修饰在DNA损伤反应、转录调控和细胞周期调控中起着重要作用。在细胞核中，H2A和H2B是最常见的泛素化组蛋白。例如，H2A在Lys119位点，H2B在Lys120位点（对于脊椎动物）的单泛素化与基因沉默和转录激活有关。此外，H2A和H2AX在Lys63位点的多聚泛素化对于DNA修复过程中招募修复蛋白至DNA双链断裂位点至关重要。

组蛋白泛素化的动态平衡受到一系列酶的严格控制，包括组蛋白泛素连接酶（E3泛素蛋白连接酶）和去泛素化酶。例如，多梳蛋白家族是H2A的单泛素化的写入蛋白，而Bre1（在酵母中）及其同源物RNF20/RNF40（在哺乳动物中）是H2B的单泛素化的写入蛋白。RNF8/RNF168复合体则负责H2A/H2AX在K63位点的多聚泛素化。

组蛋白修饰研究方法有很多，例如通过特定抗体进行的蛋白质免疫印迹（WB）、免疫组织化学（IHC）、免疫细胞化学（ICC）和ELISA技术，可以比较不同样本中的组蛋白翻译后修饰的整体水平；利用质谱测定组蛋白上的各种修饰类型；使用免疫共沉淀（CoIP）/pulldown实验来研究蛋白质与内源性组蛋白之间的相互作用，以及修饰依赖性的结合等。在这里，我们主要介绍两种基于全基因组范围的研究方法：ChIP-seq和CUT&Tag。

ChIP-seq是2009年出现的、将ChIP（染色质免疫共沉淀）和NGS（二代测序）相结合的一种方法，该方法通过抗体免疫沉淀来分离蛋白的目标修饰及其结合的基因组DNA，并将相关DNA进行片段化及测序，以此来确定组蛋白修饰在基因组上的位置及丰度。该技术是研究组蛋白修饰在整个基因组中定位的金标准。

CUT&Tag是2019年开发的用于研究蛋白质与DNA之间相互作用的新方法。该方法通过使用特异性抗体结合目标蛋白，然后利用融合了Tn5转座酶的蛋白A/G对目标蛋白结合的DNA区域进行切割和标记，从而在全基因组水平上识别蛋白质的结合位点或组蛋白修饰的分布。

两种技术都是通过特异性抗体捕获所要研究的组蛋白修饰，后分离与组蛋白修饰相结合的DNA，并通过对DNA进行测序和分析来推断组蛋白修饰的位置及丰度。但相比于ChIP-Seq，CUT&Tag不需要进行甲醛固定和超声打断；需要的样本起始量更低；数据信噪比高，可重复性好。也正因为此，CUT&Tag正逐渐成为研究组蛋白修饰以及组蛋白与DNA相互作用的一种重要手段。

 一文带你快速了解表观修饰“当红炸子鸡”——「组蛋白乳酸化」研究

Nat Metab：ChIP+ATAC揭示Glis对组蛋白乳酸化与乙酰化双激活促进细胞重编程

Autophagy：组蛋白乳酸化H3K18la介导结直肠癌对贝伐单抗耐药机制

CNS前沿速报∣单细胞转录组测序助力发现烟酰胺代谢调控肿瘤微环境

本文系联川生物公众号原创文章，未经授权禁止转载，侵权必究！

扫描下方二维码