组蛋白H3末梢赖氨酸甲基化

论文摘要

乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化是不同类型的组蛋白末梢共价转移后修饰。这些修饰以二十年前难以想象的方式对基于DNA的事件进行调节。最近,越来越多的证据表明组蛋白常规甲基化的失败会导致发展失调类疾病,因而组蛋白甲基化相关研究倍受关注。本论文主要以理论计算为工具围绕组蛋白赖氨酸甲基化展开,研究了组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化转移甲基的机理,甲基化赖氨酸对阳离子-π相互作用的影响,甲基化赖氨酸对其所在的H3末梢与受动蛋白之间的蛋白质-蛋白质相互作用的影响,以及更进一步的磷酸化对三甲基化标记的H3末梢与受动蛋白之间作用的影响。简单概括如下:（1）运用量子化学从头计算和密度泛函方法对SET区域甲基转移酶从S-腺苷甲硫氨酸催化转移甲基到底物组蛋白H3末梢赖氨酸的过程进行了研究。研究结果表明酶对过渡态没有特殊的稳定作用,然而,它为反应底物（锍离子和胺）提供了一个没有溶剂的空腔,并且通过临近的残基把亲核的和亲电的底物以一种近乎完美的方式组合在一起,从而有利于甲基转移过程的进行。（2）每一个赖氨酸都能被一、二、三甲基化,不同甲基化的赖氨酸能够被受动蛋白通过阳离子-π相互作用区分开。阳离子-π相互作用是广泛存在于生物和化学体系内的正电荷和芳环之间的作用力。文中主要运用DFT和MP2在6-31+G**水平研究了四甲基铵和苯酚之间的阳离子-π相互作用。由于对色散作用考虑的差异,由MP2方法优化得到不同于DFT方法的结构。电子相关性对该体系总结合能的贡献超过50%,这与电子相关性对四甲基铵-呋喃（50%）体系的影响非常接近,比电子相关性对四甲基铵-咪唑体系的影响更重要（20%）。通过计算已经确认四甲基铵-苯酚复合物存在四种不同的构型,这些构型之间的相互转换能垒低于1kcal/mol,比铵-苯酚不同构型之间的转换能垒还要低,这表明四甲基铵与苯酚之间的相互作用对定向具有随意性。（3）结构分析和实验结果表明,果蝇HP1通过三个芳环提供的阳离子-π作用选择性的识别甲基化的组蛋白H3末梢,而不与没有甲基化的组蛋白H3末梢作用。在本文中用10纳秒的分子动力学模拟研究了一、三甲基化Lys9组蛋白H3末梢的存在对HP1蛋白质的运动及其相互作用的影响。研究结果表明,甲基化赖氨酸及其附近的组蛋白末梢序列都是极大影响HP1蛋白柔性和骨干运动的必要识别特征。这一研究直接确立了甲基化转移后修饰对蛋白质-蛋白质相互作用的调节机理。（4）组蛋白末梢多个残基的不同修饰互相组合能够形成“组蛋白密码”,这些组合能够互相协作促进地或者拮抗抵消地影响基因表达。在有机体的有丝分裂中,组蛋白H3末梢Lys9的甲基化和Ser10的磷酸化能够接连地发生在相同的组蛋白H3末梢上,而Ser10磷酸化对Lys9甲基化的影响在目前研究中仍然充满争议。针对这种争议,对HP1与甲基磷酸化双重修饰的H3末梢复合物体系进行了分子动力学模拟,并与甲基化体系得到的结果相比较。从10纳秒的动力学模拟结果中可以看出,两个相邻的转移后修饰直接导致组蛋白H3末梢柔性的增加,降低了HP1与H3末梢之间的相互作用。以上研究有助于加深我们对组蛋白赖氨酸甲基化修饰的理解,并确立了两个临近的转移后修饰-一个稳定的甲基化标记和一个动态的磷酸化标记-的联合作用对蛋白质-蛋白质相互作用的调节机理。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 词汇缩略表
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景和研究现状
• §1.2 研究思路和研究内容
• §1.3 研究方法
• 第二章 组蛋白赖氨酸甲基转移酶的催化机理
• §2.1 引言
• §2.2 体系和计算方法
• §2.3 结果和讨论
• §2.4 本章小结
• 第三章 甲基化赖氨酸对阳离子-π相互作用的影响
• §3.1 引言
• §3.2 计算体系和细节
• §3.3 结果与讨论
• §3.4 本章小结
• 第四章 赖氨酸甲基化修饰的H3末梢结合HP1蛋白的研究
• §4.1 引言
• §4.2 动力学模拟体系的构建和计算方法
• §4.3 结果与讨论
• §4.4 本章小结
• 第五章 甲基磷酸化双重修饰的H3末梢结合HP1蛋白的研究
• §5.1 引言
• §5.2 计算方法
• §5.3 结果和讨论
• §5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录