H3K4me3 - H3K4me3
H3K4me3 est une modification épigénétique de la protéine d'encapsidation de l'ADN Histone H3 . Il est une marque qui indique le tri méthylation au 4 lysine résidus de la protéine histone H3 et souvent impliqué dans la régulation de l' expression génique . Le nom désigne l'ajout de trois groupes méthyle ( triméthylation ) à la lysine 4 sur la protéine histone H3 .
H3 est utilisé pour conditionner l' ADN dans les cellules eucaryotes (y compris les cellules humaines), et les modifications apportées à l'histone altèrent l'accessibilité des gènes pour la transcription. H3K4me3 est généralement associé à l'activation de la transcription de gènes voisins. La triméthylation H3K4 régule l'expression des gènes par le remodelage de la chromatine par le complexe NURF . Cela rend l'ADN de la chromatine plus accessible aux facteurs de transcription , permettant aux gènes d'être transcrits et exprimés dans la cellule. Plus précisément, H3K4me3 régule positivement la transcription en apportant des histones acétylases et des enzymes de remodelage des nucléosomes (NURF). H3K4me3 joue également un rôle important dans la régulation génétique de la puissance et de la lignée des cellules souches . En effet, cette modification des histones se trouve davantage dans les zones de l'ADN associées au développement et à l'établissement de l'identité cellulaire.
Nomenclature
H3K4me1 indique la monométhylation de la lysine 4 sur la sous-unité de la protéine histone H3 :
| Abr. | Sens |
| H3 | Famille d'histones H3 |
| K | abréviation standard de lysine |
| 4 | position du résidu d'acide aminé
(en comptant à partir de l'extrémité N) |
| moi | groupe méthyle |
| 3 | nombre de groupes méthyle ajoutés |
Méthylation de la lysine
Ce diagramme montre la méthylation progressive d'un résidu lysine. La triméthylation désigne la méthylation présente dans H3K4me3.
La modification H3K4me3 est créée par une histone méthyltransférase (HMT) spécifique de la lysine transférant trois groupes méthyle à l'histone H3. H3K4me3 est méthylé par des complexes de méthyltransférase contenant une protéine WDR5 , qui contient le motif protéique répété WD40 . Le WDR5 s'associe spécifiquement au H3K4 diméthylé et permet une méthylation supplémentaire par les méthyltransférases, permettant la création et la lecture de la modification H3K4me3. L'activité WDR5 s'est avérée nécessaire pour les gènes de développement, comme les gènes Hox , qui sont régulés par la méthylation des histones.
Marqueur épigénétique
H3K4me3 est une modification d'histone couramment utilisée. H3K4me3 est l'une des modifications d'histones les moins abondantes ; cependant, il est fortement enrichi en promoteurs actifs à proximité des sites de démarrage de la transcription (TSS) et corrélé positivement avec la transcription. H3K4me3 est utilisé comme code d'histone ou marque d'histone dans les études épigénétiques (généralement identifié par immunoprécipitation de la chromatine ) pour identifier les promoteurs de gènes actifs .
H3K4me3 favorise l'activation des gènes grâce à l'action du complexe NURF, un complexe protéique qui agit via le motif protéique du doigt PHD pour remodeler la chromatine. Cela rend l'ADN de la chromatine accessible aux facteurs de transcription , permettant aux gènes d'être transcrits et exprimés dans la cellule. Étant donné que les gènes qui étaient importants pour déterminer le destin de la cellule semblaient être à côté de beaucoup de H3K4me3 (signal que ce gène est important pour un type de cellule défini), l'algorithme EpiMogrify pour prédire les molécules nécessaires pour amener les cellules à un type de différenciation donné a été développé.
Comprendre les modifications des histones
L'ADN génomique des cellules eucaryotes est enroulé autour de molécules protéiques spéciales appelées histones . Les complexes formés par le bouclage de l'ADN sont connus sous le nom de chromatine . L'unité structurelle de base de la chromatine est le nucléosome : il se compose de l'octamère central des histones (H2A, H2B, H3 et H4) ainsi que d'une histone de liaison et d'environ 180 paires de bases d'ADN. Ces histones noyaux sont riches en résidus lysine et arginine. L'extrémité terminale carboxyle (C) de ces histones contribue aux interactions histone-histone, ainsi qu'aux interactions histone-ADN. Les queues chargées en amino (N) terminales sont le site des modifications post-traductionnelles, comme celle observée dans H3K4me1.
Rôle dans les cellules souches et l'embryogenèse
La régulation de l'expression des gènes par H3K4me3 joue un rôle important dans la détermination du destin des cellules souches et le développement précoce de l'embryon. Les cellules pluripotentes ont des schémas distincts de méthylation qui peuvent être identifiés par ChIP-seq . Ceci est important dans le développement de cellules souches pluripotentes induites . Une façon de trouver des indicateurs d'induction pluripotente réussie consiste à comparer le modèle épigénétique à celui des cellules souches embryonnaires .
Dans la chromatine bivalente , H3K4me3 est co-localisé avec la modification répressive H3K27me3 pour contrôler la régulation des gènes. H3K4me3 dans les cellules embryonnaires fait partie d'un système de chromatine bivalente, dans lequel les régions de l'ADN sont simultanément marquées par l'activation et la répression des méthylations des histones. On pense que cela permet un système flexible d'expression des gènes, dans lequel les gènes sont principalement réprimés, mais peuvent être exprimés rapidement en raison de H3K4me3 à mesure que la cellule progresse dans le développement. Ces régions ont tendance à coïncider avec des gènes de facteurs de transcription exprimés à de faibles niveaux. Certains de ces facteurs, tels que les gènes Hox , sont essentiels pour contrôler le développement et la différenciation cellulaire au cours de l' embryogenèse .
réparation de l'ADN
H3K4me3 est présent sur les sites de cassures double brin de l'ADN où il favorise la réparation par la voie de jonction des extrémités non homologues . Il a été suggéré que la liaison de H3K4me3 est nécessaire au fonctionnement de gènes tels que l' inhibiteur de la protéine de croissance 1 (ING1) , qui agissent comme des suppresseurs de tumeurs et mettent en œuvre des mécanismes de réparation de l'ADN.
Lorsque des dommages à l'ADN se produisent, la signalisation et la réparation des dommages à l'ADN commencent à la suite de la modification des histones dans la chromatine. Mécaniquement, la déméthylation de H3K4me3 est requise pour la liaison et le recrutement de protéines spécifiques aux dommages à l'ADN
Implications épigénétiques
La modification post-traductionnelle des queues d'histone par des complexes de modification d'histone ou des complexes de remodelage de la chromatine est interprétée par la cellule et conduit à une sortie transcriptionnelle combinatoire complexe. On pense qu'un code Histone dicte l'expression des gènes par une interaction complexe entre les histones dans une région particulière. La compréhension et l'interprétation actuelles des histones proviennent de deux projets à grande échelle : ENCODE et la feuille de route épigénomique. Le but de l'étude épigénomique était d'étudier les changements épigénétiques dans l'ensemble du génome. Cela a conduit à des états de la chromatine qui définissent des régions génomiques en regroupant les interactions de différentes protéines et/ou des modifications d'histones. Les états de la chromatine ont été étudiés dans des cellules de drosophile en examinant l'emplacement de liaison des protéines dans le génome. L'utilisation du séquençage ChIP a révélé des régions du génome caractérisées par des bandes différentes. Différents stades de développement ont également été profilés chez la drosophile, l'accent a été mis sur la pertinence de la modification des histones. Un examen des données obtenues a conduit à la définition des états de la chromatine sur la base des modifications des histones. Certaines modifications ont été cartographiées et l'enrichissement a été localisé dans certaines régions génomiques. Cinq modifications d'histones de base ont été trouvées, chacune étant liée à diverses fonctions cellulaires.
- Amplificateurs amorcés H3K4me1
- H3K4me3-promoteurs
- H3K36me3 -corps de gène
- H3K27me3 -polycomb refoulement
- H3K9me3 -hétérochromatine
Le génome humain a été annoté avec des états de la chromatine. Ces états annotés peuvent être utilisés comme de nouvelles façons d'annoter un génome indépendamment de la séquence génomique sous-jacente. Cette indépendance par rapport à la séquence d'ADN renforce la nature épigénétique des modifications des histones. Les états de la chromatine sont également utiles pour identifier les éléments régulateurs qui n'ont pas de séquence définie, tels que les activateurs . Ce niveau supplémentaire d'annotation permet une compréhension plus approfondie de la régulation des gènes spécifiques aux cellules.
Méthodes
La marque d'histone H3K4me3 peut être détectée de différentes manières :
1. Le séquençage d' immunoprécipitation de la chromatine (séquençage ChIP ) mesure la quantité d'enrichissement en ADN une fois lié à une protéine ciblée et immunoprécipité . Il se traduit par une bonne optimisation et est utilisé in vivo pour révéler la liaison ADN-protéine se produisant dans les cellules. ChIP-Seq peut être utilisé pour identifier et quantifier divers fragments d'ADN pour différentes modifications d'histones le long d'une région génomique.
2. Le séquençage de la nucléase micrococcale ( MNase-seq ) est utilisé pour étudier les régions qui sont liées par des nucléosomes bien positionnés. L'utilisation de l'enzyme nucléase micrococcale est employée pour identifier le positionnement des nucléosomes. Les nucléosomes bien positionnés présentent un enrichissement des séquences.
3. Le test de séquençage de la chromatine accessible à la transposase ( ATAC-seq ) est utilisé pour rechercher des régions sans nucléosome (chromatine ouverte). Il utilise un transposon Tn5 hyperactif pour mettre en évidence la localisation des nucléosomes.