Molecular biology: Antagonizing the neighbours

Trần Hoàng Dũng

Administrator
Staff member
Do you think that you can give a hand to us with the translation of this interesting News into Vietnamese???


News and Views

Nature 438, 1090-1091 (22 December 2005) | doi:10.1038/4381090a

Molecular biology: Antagonizing the neighbours

Joel C. Eissenberg1 and Sarah C. R. Elgin2

Top of page
Abstract
Nucleosomes bundle up the DNA in a cell's nucleus, wrapping it around a complex of histone proteins. Studies of histone modifications and the proteins that bind to them reveal a mechanism that may control this packing.

Crack open any cell nucleus and look inside: you'll see what look like beads on a string. The beads are nucleosomes, small protein complexes that help to package the DNA (the strings) into the cramped confines of the nucleus. In the past fifteen years, nucleosomes have graduated in our understanding from being passive spools for DNA to full partners in the control of genetic information in the cell. Diverse chemical modifications of the histone proteins that form the nucleosome core can alter the expression of the associated genes1. These modifications make up what is known as the histone code, and a major challenge in molecular biology is to decipher how they affect gene expression.

Two of the most common modifications are phosphorylation and methylation — respectively the addition of a phosphate or a methyl group to the amino acids of which the histones are composed. Allis and colleagues2 previously proposed that reversible phosphorylation of the amino acids serine or threonine in the 'tail' regions of histones could antagonize the binding of regulatory proteins to neighbouring methylated lysine amino acids, creating a binary control switch. In this issue, Fischle et al. (page 1116)3 and Hirota et al. (page 1176)4 present data that strongly support this model and advance our understanding of how histone modification can control chromosome function.

Among the many histone modifications that have been described, methylation of lysines and phosphorylation of serines and threonines have attracted much attention. Phosphorylation of the serine at the tenth position in the tails of histone H3 (H3S10) occurs during cell division in eukaryotic (higher) cells. Once the cells have replicated their DNA and begin to prepare for division, nearly all of the histone H3 in the nucleus seems to be phosphorylated at this site. Phosphorylation of H3S10 also occurs at other stages in the cell cycle, but only at discrete chromosomal sites that are associated with gene expression.

The methylation of lysines is more complex. Methylation at lysine 9 of histone H3 (H3K9) is found mainly in the heterochromatin — the dense, mostly inactive regions of the genome. Methylation at lysine 4 of histone H3 (H3K4), by contrast, is associated with active genes. The different outcomes of lysine methylation result from the fact that each modification creates a binding target for a distinct protein. Heterochromatin protein 1 (HP1), which promotes heterochromatin formation (and the consequent gene silencing), recognizes and binds to methylated H3K9 using a region called the chromodomain5, 6. CHD1, an enzyme that may destabilize nucleosomes and expose the DNA for gene expression, recognizes and binds to methylated H3K4 through two tandem chromodomains7.

Fischle et al.3 and Hirota et al.4 examined cells progressing into the metaphase stage of cell division, where the chromosomes become very tightly packed, or 'condensed', to facilitate their separation into the future daughter cells. Both groups discovered that these cells accumulated histone H3 that is both methylated at lysine 9 and phosphorylated at the neighbouring serine 10. Using antibodies specific for the doubly modified H3, the authors found that this dual modification occurred specifically in heterochromatic regions of chromosomes.

During most of the cell cycle, HP1 is also concentrated in heterochromatin, but with the onset of chromosome condensation, much of the HP1 leaves the chromosomes. Both labs link the dissociation of HP1 with the accumulation of phosphorylated H3S10 by showing that inactivation of an enzyme that phosphorylates H3S10 (Aurora B kinase) results in the retention of HP1. These observations suggest that H3S10 phosphorylation causes displacement of HP1 from heterochromatin with the onset of metaphase. To test this, the ability of HP1 to bind to dually modified H3 tail peptides was measured in vitro, using either fluorescence polarization3 or binding to peptide-coated beads4. In both assays, the binding of HP1 to the methylated H3K9 was substantially impaired when the neighbouring H3S10 was simultaneously phosphorylated.

The results demonstrate the need to examine the impact of multiple modifications on a histone tail; using an antibody that recognizes a single modification is clearly not sufficient to infer the histone state. The findings also provide experimental support for the regulatory-switch hypothesis of Allis and colleagues2. Methylation at H3K9, and concomitant binding of HP1, is not only found in heterochromatin, but also contributes to inactivation of some genes in euchromatin (the less dense and more active regions of the genome)8. If HP1 can be evicted by phosphorylation of H3S10, such repression might be reversed. However, the genomic region where HP1 binds would still be tagged by the methyl groups at H3K9. So if the H3S10 phosphate group were removed (by a protein phosphatase), that would leave the unopposed H3K9 methyl mark available to restore HP1 binding and reconstitute heterochromatin. This model is consistent with genetic studies implicating a histone methylase9, 10 and a protein phosphatase11 in the control of heterochromatin formation in the fruitfly. Whether it applies to regulation in euchromatic domains remains to be seen.

Another study reported in this issue (page 1181)7 suggests that the methyl–phospho switch mechanism has wider applicability. Flanagan et al. describe the crystal structure of the double chromodomains of the mammalian CHD1 protein bound to an H3 peptide containing methylated H3K4. The way in which the CHD1 chromodomains bind to methyl-lysine seems different from how HP1 binds. But binding of the CHD1 chromodomains to methylated H3K4 is antagonized in vitro by phosphorylation of a neighbouring threonine (H3T3). CHD1 resembles a helicase, an enzyme capable of loosening nucleosome–DNA contacts. So controlled interaction of CHD1 with H3K4 by phosphorylation of H3T3 might regulate the access of regulatory proteins to DNA to control gene expression.

Using a binary switch to eject proteins that bind to methylated histones essentially reverses the effects of histone methylation. So far, the cell has been found to use two other methods to accomplish this end. First, as RNA polymerase traverses genes to make the encoded messenger RNA, it displaces the nucleosomes from the DNA. Nucleosomes re-form once the polymerase has passed, and the process can replace methylated histones with unmethylated ones12. Second, histone demethylase enzymes can directly strip the methyl groups off specific lysines13, 14.

Why use three mechanisms to achieve the same biochemical result? Each has a different overall impact. Eviction of nucleosomes by RNA polymerase can remove all nucleosome modification marks (Fig. 1b). Lysine demethylation can target specific nucleosomes, but will also erase methylation patterns (Fig. 1c). However, by leaving methyl marks intact and ejecting the methyl-lysine binding factors through phosphorylation of neighbouring amino acids, cells can rapidly effect a large-scale reorganization of chromosome structure while preserving the underlying methylation pattern (Fig. 1a); this allows the original structure to be restored on dephosphorylation.

Figure 1: Three-pronged control.

Three contrasting mechanisms to regulate binding of proteins that target methylated histones. a, Fischle et al.3 and Hirota et al.4 show that phosphorylation of a serine or threonine amino acid that lies next to a methylated lysine creates a methyl–phospho module. This module can no longer associate with methyl-binding proteins. Phosphorylation is readily reversed by a phosphatase. This mechanism leaves the original pattern of methylation intact. b, Passage of RNA polymerase II may result in nucleosome replacement, erasing the original pattern of methylation. c, Site-specific patterns of methylated nucleosomes can be erased enzymatically by histone demethylase. In cases b and c, the pattern of methylation can only be restored by targeted de novo histone methyltransferase activity.

High resolution image and legend (29K)

Fischle et al.2 identified 16 instances of lysines flanked by either serine or threonine among the four histone proteins that form the nucleosome, suggesting the possibility of other such binary switches. The monotonous beads-on-a-string conceal a rich variety of ornaments that compete with one another to control gene expression.

Top of page
References
Khorisanizadeh, S. Cell 116, 259–272 (2004). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
Fischle, W. , Wang, Y. & Allis, C. D. Nature 425, 475–479 (2003). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
Fischle, W. et al. Nature 438, 1116–1122 (2005). | Article |
Hirota, T. , Lipp, J. J. , Toh, B. -H. & Peters, J. -M. Nature 438, 1176–1180 (2005). | Article |
Jacobs, S. A. & Khorisanizadeh, S. Science 295, 2080–2083 (2002). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
Nielsen, P. R. et al. Nature 416, 103–107 (2002). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
Flanagan, J. F. et al. Nature 438, 1181–1185 (2005). | Article |
Nielsen, S. et al. Nature 412, 561–565 (2001). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
Tschiersch, B. et al. EMBO J. 13, 3822–3831 (1994). | PubMed | ISI | ChemPort |
Schotta, G. et al. EMBO J. 21, 1121–1131 (2002). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
Baksa, K. et al. Genetics 135, 117–125 (1993). | PubMed | ISI | ChemPort |
McKittrick, E. , Gafken, P. R. , Ahmad, K. & Henikoff, S. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 1525–1530 (2004). | Article | PubMed | ChemPort |
Shi, Y. J. et al. Cell 119, 941–953 (2004). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
Metzger, E. et al. Nature 437, 436–439 (2005). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |
 
Tin tức và quan điểm
Molecular biology: Antagonizing the neighbours
Sinh học phân tử:
Joel C. Eissenberg1 and Sarah C. R. Elgin2

Tóm tắt
Thể nhân đóng gói DNA thành từ bó trong nhân tế bào, cuốn nó quanh những phức hợp protein gọi là histone. Những nghiên cứu về biến đổi cấu trúc histone và các protein liên kết với nó đã mở ra một cơ chế có thể là cơ chế kiểm soát sự đóng gói này.

Tách đôi bất kỳ nhân nào và nhìn vào bên trong bạn sẽ thấy nó giống như những hạt cườm trên một sợi dây. Các hạt cườm là các thể nhân, những phức protein nhỏ giúp đóng gói DNA (sợi dây) vào trong không gian chật chội của nhân. Trong mười lăm năm qua, thể nhân trong sự hiểu biết của chúng ta đã chuyển từ là những con lăn thụ động để DNA cuốn vào thành một đối tác thực thụ trong quá trình kiểm soát thông tin di truyền trong tế bào. Rất nhiều những biến đổi hóa học của protein histone, thành phần tạo nên lõi của thể nhân, có thể thay đổi biểu hiện của những gene liên quan. Những biến đổi này gộp lại tạo nên cái được biết tới với tên gọi: mã histone, và một thách thức lớn của sinh học phân tử là giải mã cơ chế chúng ảnh hưởng tới biểu hiện của gene

Hai biến đổi phổ biến nhất là phosphoryl hóa và methyl hóa, tức là sự thêm một nhóm phosphate hoặc một nhóm methyl vào các amino acid tạo nên histone. Allis và đông nghiệp trước đây đã đề xuất rằng phosphoryl hóa thuận nghịch serine hoặc threonine ở những vùng "đuôi" của histones có thể vô hiệu hóa sự gắn protein điều hòa vào lysine đã methyl hóa bên cạnh, tạo ra một công tắc điều khiển theo kiểu bật tắt. Trong số này, nhóm Fischle và công sự và nhóm Hirota và cộng sự đã đưa ra dữ liệu chứng minh một cách mạnh mẽ cho mô hình này và nâng cao hiểu biết của chúng ta về cơ chế những biến đổi hóa học của histone có thể kiểm soát chức năng của NST

Trong số những biến đổi cấu trúc histone đã được mô tả tới nay, methyl hóa lysine và phosphoryl hóa serine và threonine đã thu hút nhiều sự quan tâm. Phosphoryl hóa serine ở vị trí thứ 10 ở đuổi của histone H3 xảy ra trong quá trình phân bào ở tế bào eukaryote (hoặc cao hơn). Một khi các tế bào này đã nhân đôi DNA và bắt đầu chuẩn bị phân chia, gần như tất cả histone H3 (H3S10) ở trong nhân dường như bị phosphoryl hóa ở những vị trí này. Phosphoryl hóa ucar H3S10 cũng có thể xảy ra ở những giai đoạn khác của chu kỳ tế bào, nhưng chỉ ở những vị trí riêng rẽ trên NST có liên quan đến biểu hiện gene.

Sự methyl hóa lysine phức tạp hơn. Methyl hóa ở lysine vị trí thứ 9 của histone H3 (H3K9) chủ yếu được tìm thấy ở chất dị nhiễm sắc - những vùng tối & đậm đặc, gần như bất hoạt của chất nhân. Ngược lại, methyl hóa ở lysine vị trí thứ 4 của histone H3 (H3K4), có liên quan đến các gene hoạt động. Các kết quả khác nhau của sự methyl hóa lysine bắt nguồn từ việc mỗi biến đổi tạo ra một mục tiêu gắn kết cho mỗi một protein khác nhau. Protein dị nhiễm sắc 1 (HP1), vốn kích thích sự hình thành chất dị nhiễm sắc (và kéo theo là làm bất hoạt gene), nhận diện và gắn vào H3K9 đã được methyl hóa thông qua một vùng gọi là chromodomain 5,6. CHD1, một enzyme có thể làm suy yếu cấu trúc thể nhân và do đó bộc lộ sợi DNA để phiên mã, nhận diện và gắn vào H3K4 đã methyl hóa qua hai chromodomain7 nằm nối đuôi nhau.

Nhóm Fischle và nhóm Hirota và các công sự kiểm tra các tế bào khi chúng đang đi vào kỳ giữa của phân bào, lúc các NST đóng xoắn cực đại để tạo điều kiện cho sự phân ly của chúng vào các tế bào con. Cả hai nhóm đều phát hiện ra rằng những tế bào này tích lũy những histone H3 vừa bị methyl hóa ở lysine vị trí thứ 9 và phosphoryl hóa ở vị trí thứ 10 kề bên. Dùng kháng thể đặc hiệu cho những H3 bị biến đổi kép, các tác giả đã phát hiện ra rằng sự biến đổi kép này chỉ xảy ra riêng ở vùng chất dị nhiễm sắc của NST.

Trong hầu hết chu kỳ tế bào, HP1 cũng tập trung ở chất dị nhiễm sắc, nhưng khi quá trình đóng xoắn NST bắt đầu, hầu hết HP1 rời khỏi các NST. Cả hai phòng thí nghiệm đều liên hệ sự li khai của HP1 với sự tích lũy H3S10 đã được phosphoryl hóa bằng cách chứng minh rằng sự bất hoạt một enzyme gây phosphoryl hóa H3S10 dẫn đến sự giữ HP1 lại ở NST. Những quan sát này nói lên rằng sự phosphoryl hóa H3S10 gây ra sự di chuyển ucar HP1 khỏi vùng dị nhiễm sắc khi kỳ giữa bắt đầu. Để kiểm nghiệm giả thuyết này, khả năng gắn của HP1 vào đuôi peptide của H3 được biến đổi kép được đo in vitro, sử dụng ?sự phân cực huỳnh quan hoặc những hạt cườm bao bọc peptide gắn kết. Trong cả hai phân tích, sự gắn kết HP1 vào H3K9 đã methyl hóa bị phá hủy đáng kể khi H3S10 bên cạnh cũng được phosphoryl hóa.

Các kết quả này chứng tỏ cần đánh giá tác động của các đa biến đổi trên đuôi histone; sử dụng một kháng thể chỉ nhận diện một biến đổi rõ ràng không đủ để suy ra trạng thái của histone. Những phát hiện này cũng cung cấp những bằng chứng thực nghiệm cho giả thuyết công tắc điều hòa của Allis và cộng sự. Methyl hóa ở H3K9 và sự gắn kết đồng thời của PH1 không chỉ được phát hiện ở chất dị nhiễm sắc mà còn góp phần vào sự bất hoạt một số gene ở chất nhiễm sắc thật (vùng sáng, thưa và hoạt động hơn của chất nhân. Nếu HP1 có thể bị buộc phải rời vị trí bởi sự phosphoryl hóa H3S10 thì sự kiềm chế đó có thể bị đảo ngược. Tuy nhiên vùng chất nhân nơi HP1 liên kết vẫn còn bị gắn nhãn bởi các nhóm methyl ở H3K9. Vì thế nếu nhóm phosphate của H3S10 bị loại bỏ (bằng protein phosphatase) thì điều này sẽ làm cho methyl H3K9 không bị cạnh tranh có mặt để phục hồi sự gắn kết của HP1 và tái thiết lại chất dị nhiễm sắc. Mô hình này thống nhất với những nghiên cứu cho rằng một histone methylase và một protein phosphatase có liên quan đến sự kiểm soát quá trình hình thành chất dị nhiễm sắc ở ruồi giấm. Liệu điều này có đúng với cơ chế điều hòa vùng chất nhiễm sắc thật hay không còn phải xem xét

Một nghiên cứu khác trong số báo này đề xuất rằng cơ chế bật tắt methyl-phospho có ứng dụng rộng rãi hơn. Flanagan và cộng sự mô tả cấu trúc tinh thể của chromodomain kép ở động vật có vú của protein CHD1 liên kết với một peptide H3 chứa H3K4 đã methyl hóa. Phương thức chromodomain CHD1 liên kết với lysine đã methyl hóa dường như khác với cách mà HP1 liên kết. Tuy nhiên liên kết của chromodomain CHD1 ?với H3K4 đã bị methyl hóa bị vô hiệu hóa in vitro bằng quá trình phosphoryl hóa threonine bên cạnh. CHD1 giống với helicase, một enzyme có khả năng nới lỏng sự tiếp xúc giữa DNA và thể nhân. Như vậy sự tương tác có kiểm soát giữa CHD1 với H3K4 nhờ sự phosphoryl hóa H3T3 có thể điều hòa sự tiếp cận của protein điều hòa với DNA để kiểm soát biểu hiện gene.

Sử dụng công tắc tắt bật để loại bỏ những protein liên kết với histones bị methyl hóa về cơ bản sẽ đảo ngược tác động của sự methyl hóa histone. Cho tới nay người ta phát hiện tế bào còn sử dụng hai phương pháp nữa để đạt được kết quả này. Thứ nhất, khi RNA polymerase trượt trên gene để tạo mRNA mã hóa thì nó đẩy thể nhân ra khỏi DNA. Thể nhân tái tạo lại một khi polymerase đã đi qua, và quá trình có thể thay thế histone đã bị methyl hóa bằng những histone không bị methyl hóa. Thứ hai, enzyme histone demethylase có thể trực tiếp cắt các nhó methyl khỏi những lysine 13 và 14.
Why use three mechanisms to achieve the same biochemical result? Each has a different overall impact. Eviction of nucleosomes by RNA polymerase can remove all nucleosome modification marks (Fig. 1b). Lysine demethylation can target specific nucleosomes, but will also erase methylation patterns (Fig. 1c). However, by leaving methyl marks intact and ejecting the methyl-lysine binding factors through phosphorylation of neighbouring amino acids, cells can rapidly effect a large-scale reorganization of chromosome structure while preserving the underlying methylation pattern (Fig. 1a); this allows the original structure to be restored on dephosphorylation.
Tại sao lại dùng ba cơ chế để đạt được cùng một kết quả hóa sinh? Mỗi cơ chế có một tác động tổng thể khác nhau. Sự đẩy thể nhân ra khỏi vị trí của nó bởi RNA polymerase có thể loại bỏ tất cả những biến đổi đánh dấu thể nhân.
.....nhờ một bạn khác dịch tiếp. Có việc phải làm rồi.
 
Chữ modification thường dịch là hiệu chỉnh, sự biến đổi có từ english là variation; nên L cân nhắc để quyết định dùng từ nào. Nếu đồng ý hay không đồng ý, cho tui biết để tui thay đổi hoặc giữ nguyên bản dịch gốc.

Bài dịch còn chút xíu nữa, anh chị nào ra tay "cứu vớt". Thanks.
 
Why use three mechanisms to achieve the same biochemical result? Each has a different overall impact. Eviction of nucleosomes by RNA polymerase can remove all nucleosome modification marks (Fig. 1b). Lysine demethylation can target specific nucleosomes, but will also erase methylation patterns (Fig. 1c). However, by leaving methyl marks intact and ejecting the methyl-lysine binding factors through phosphorylation of neighbouring amino acids, cells can rapidly effect a large-scale reorganization of chromosome structure while preserving the underlying methylation pattern (Fig. 1a); this allows the original structure to be restored on dephosphorylation.
Tại sao lại dùng tới ba cơ chế để đạt được cùng một kết quả? Thực ra mỗi cơ chế có một tác động tổng thể khác nhau. Sự đẩy thể nhân ra khỏi vị trí của nó bởi RNA polymerase có thể hủy bỏ tất cả những dấu vết hiệu chỉnh thể nhân. Cơ chế loại gốc methyl ở lysine có thể đặc hiệu với một số thể nhân nào đó nhưng nó cũng sẽ xóa bỏ hệ thống gốc methyl. Tuy nhiên, bằng cách không can thiệp đến các gốc methyl và thải loại các yếu tố liên kết methyl-lysine qua sự phosphoryl hóa các amino acid kề bên, tế bào có thể nhanh chóng tái tổ chức cấu trúc NST trên quy mô lớn trong khi vẫn giữ nguyên hệ gốc methyl thiết yếu; điều này cho phép cấu trúc ban đầu được phục hồi dựa trên quá trình khử gốc phospho.

Three contrasting mechanisms to regulate binding of proteins that target methylated histones. a, Fischle et al.3 and Hirota et al.4 show that phosphorylation of a serine or threonine amino acid that lies next to a methylated lysine creates a methyl–phospho module. This module can no longer associate with methyl-binding proteins. Phosphorylation is readily reversed by a phosphatase. This mechanism leaves the original pattern of methylation intact. b, Passage of RNA polymerase II may result in nucleosome replacement, erasing the original pattern of methylation. c, Site-specific patterns of methylated nucleosomes can be erased enzymatically by histone demethylase. In cases b and c, the pattern of methylation can only be restored by targeted de novo histone methyltransferase activity.
Ba cơ chế đối lập nhau để điều hòa sự gắn kết của các protein liên kết đặc hiệu với các histone bị methyl hóa. a)nhóm Fischle và nhóm Hirota đã cho ta thấy rằng sự phosphoryl hóa một serine hay threonine nằm kề bên một lysine đã bị methyl hóa sẽ tạo ra một đơn vị methyl-phospho. Đơn vị này không còn có thể gắn kết với các protein liên kết methyl. Quá trình phosphoryl hóa có thể dễ dàng đảo nghịch bằng một phosphatase. Cơ chế này giữ nguyên hệ thống gốc methyl ban đầu. b) Sự trượt qua của RNA polymerase II có thể dẫn đến sự thay thế thể nhân, làm mất hệ thống gốc methyl ban đâu. c) Hệ thống đặc thù về vị trí của ?thể nhân bị methyl hóa có thể bị xóa bỏ bởi histone demethylase. Trong trường hợp b và c, hệ gốc methyl chỉ có thể phục hồi bằng sự hoạt động trở lại của histone methyltransferase có định vị.
High resolution image and legend (29K)

Fischle et al.2 identified 16 instances of lysines flanked by either serine or threonine among the four histone proteins that form the nucleosome, suggesting the possibility of other such binary switches. The monotonous beads-on-a-string conceal a rich variety of ornaments that compete with one another to control gene expression.
Việc Fischle và cộng sự xác định được 16 trường hợp lysine được kẹp hai bên bởi serine hoặc threonine trong số bốn histone tạo nên thể nhân nói lên rằng có khả năng có thêm những "công tắc" tắt bật như vậy nữa. Chuỗi cườm đơn điệu thực chất là một chuỗi ngọc trai muôn màu muôn vẻ cạnh tranh với nhau để kiểm soát sự biểu hiện của gene.
 
Bài đã sửa xong, sẽ lên index ngày mai.

Luơng dịch bài rất khá, có ưu điểm là bám rất sát cấu trúc ngữ pháp English (hơn tui chỗ này, tui thường phá hỏng cấu trúc ngữ pháp English khi sang Vietnamese) và cách chọn từ của Lương cũng rất đáng học tập.

Tui biết có rất nhiều và nhiều bạn SV vẫn đang cố gắng "gìn giữ bản sắc" của mình với câu tuyên bố rằng "Đọc hiểu thẳng trên bản tiếng Anh chứ dịch sang tiếng Việt cho cho mất công vậy!". Một trăm lần sai, một ngàn lần sai với lối suy nghĩ "truyền thống" ấy. Tôi có thể mạnh dạn tuyên bố rằng bạn chẳng hiểu nổi bản tiếng Anh của 1 bài viết sinh học nếu không chịu dịch nó sang tiếng Việt, hoặc cái sự hiểu của bạn nó sẽ không bao giờ đúng với tinh thần nội dung mà tác giả muốn nói.

==========================



Tách đôi bất kỳ nhân nào và nhìn vào bên trong bạn sẽ thấy nó giống như những hạt cườm  kết trên một sợi dây. Các hạt cườm là các thể nhân (nucleosome), tức  những phức protein nhỏ giúp đóng gói DNA (sợi dây) vào trong không gian chật chội của nhân. Trong mười lăm năm qua, thể nhân trong sự hiểu biết của chúng ta đã chuyển từ là những con lăn thụ động để DNA cuốn vào thành một đối tác thực thụ trong quá trình kiểm soát thông tin di truyền trong tế bào. Protein histone, thành  thành phần tạo nên lõi của thể nhân, thường trãi qua nhiều sự hiệu chỉnh hóa học từ đó chúng cho phép thay đổi quá trình biểu hiện của những gene liên quan. Những biến đổi này gộp lại tạo nên cái được biết tới với tên gọi: mã histone, và một thách thức lớn của sinh học phân tử là giải mã cơ chế chúng ảnh hưởng tới biểu hiện của gene.

Hai sự hiệu chỉnh phổ biến nhất là phosphoryl hóa và methyl hóa, tức là sự thêm một nhóm phosphate hoặc một nhóm methyl vào các acid amine tạo nên histone. Allis và đông nghiệp trước đây đã đề xuất rằng sự phosphoryl hóa  thuận nghịch serine hoặc threonine ở những vùng "đuôi" của histones có thể vô hiệu hóa sự gắn protein điều hòa vào gốc lysine đã methyl hóa bên cạnh, tạo ra một công tắc điều khiển hai chiều theo kiểu bật tắt. Trong Nature số này (Nature 438,22 December 2005), nhóm Fischle  (trang 1116) và nhóm Hirota (trang 1176) đã đưa ra dữ liệu chứng minh một cách mạnh mẽ cho mô hình này và nâng cao hiểu biết của chúng ta về cơ chế những biến đổi hóa học của histone có thể kiểm soát chức năng của nhiễm sắc thể.

Trong số những biến đổi cấu trúc histone đã được mô tả tới nay, sự methyl hóa gốclysine và phosphoryl hóa gốc serine và threonine đã thu hút nhiều sự quan tâm. Sự phosphoryl hóa gốc serine ở vị trí thứ 10 ở đuôi histone H3 thường xảy ra trong quá trình phân bào ở tế bào eukaryote (hoặc cao hơn). Một khi các tế bào này đã nhân đôi DNA và bắt đầu chuẩn bị phân chia, gần như tất cả histone H3 (H3S10) ở trong nhân dường như bị phosphoryl hóa ở vị trí này. Sự phosphoryl hóa vùng H3S10 cũng có thể xảy ra ở những giai đoạn khác của chu kỳ tế bào, nhưng chỉ ở những vị trí riêng rẽ trên NST có liên quan đến biểu hiện gene.


Sự methyl hóa gốc lysine phức tạp hơn. Sự  methyl hóa ở lysine vị trí thứ 9 của histone H3 (H3K9) chủ yếu được tìm thấy ở chất dị nhiễm sắc - những vùng tối & đậm đặc, gần như bất hoạt của chất nhân. Ngược lại, sự methyl hóa ở lysine vị trí thứ 4 của histone H3 (H3K4), có liên quan đến các gene hoạt động. Các kết quả khác nhau của sự methyl hóa lysine bắt nguồn từ việc mỗi biến đổi tạo ra một mục tiêu gắn kết cho mỗi một protein khác nhau. Ví dụ như, protein dị nhiễm sắc số 1 (HP1), vốn kích thích sự hình thành chất dị nhiễm sắc (và kéo theo là làm bất hoạt gene), nhận diện và gắn vào H3K9 đã được methyl hóa thông qua việc sử dụng một vùng gọi là vùng nhiễm sắc (chromodomain). Trong khi đó CHD1, một enzyme có thể làm suy yếu cấu trúc thể nhân và do đó bộc lộ sợi DNA để phiên mã, lại nhận diện và gắn vào H3K4 đã methyl hóa thông qua hai vùng nhiễm sắc nằm nối đuôi nhau.


Nhóm Fischle và nhóm Hirota và các cộng sự kiểm tra các tế bào khi chúng chuẩn bị bước vào  kỳ giữa của phân bào, lúc các NST đóng xoắn cực đại để tạo điều kiện cho sự phân ly của chúng vào các tế bào con. Cả hai nhóm đều phát hiện ra rằng những tế bào này tích lũy những histone H3 vừa bị methyl hóa ở lysine vị trí thứ 9 và phosphoryl hóa ở vị trí thứ 10 kề bên. Dùng kháng thể đặc hiệu cho những H3 bị biến đổi kép, các tác giả đã phát hiện ra rằng sự biến đổi kép này chỉ xảy ra riêng ở vùng chất dị nhiễm sắc của NST.


Trong hầu hết chu kỳ tế bào, HP1 cũng tập trung ở chất dị nhiễm sắc, nhưng khi quá trình đóng xoắn NST bắt đầu thì hầu hết HP1 rời khỏi các NST. Cả hai phòng thí nghiệm đều liên hệ sự li khai của HP1 với sự tích lũy H3S10 đã được phosphoryl hóa bằng cách chứng minh rằng việc bất hoạt một enzyme điều khiển sự phosphoryl hóa H3S10 (Aurora B Kinase) đã dẫn đến sự giữ HP1 lại ở NST. Những quan sát này nói lên rằng sự phosphoryl hóa H3S10 đã khiến HP1 phải ra đi khỏi vùng dị nhiễm sắc khi kỳ giữa bắt đầu. Để kiểm nghiệm giả thuyết này, các tác giả đã đo lường khả năng gắn của HP1 vào đuôi peptide của H3 được biến đổi kép  bằng việc  sử dụng  sự phân cực huỳnh quang hoặc những hạt bi được phủ bởi peptide. Kết quả cho thấy trong cả hai phân tích, sự gắn kết HP1 vào H3K9 đã methyl hóa bị suy giảm đáng kể khi H3S10 bên cạnh cũng được phosphoryl hóa.


Các kết quả này chứng tỏ cần đánh giá tác động của các đa hiệu chỉnh trên đuôi histone; thực nghiệm cho thấy nếu sử dụng một kháng thể chỉ nhận diện một biến đổi thì rõ ràng không đủ để suy ra trạng thái của histone. Những phát hiện này cũng cung cấp những bằng chứng thực nghiệm cho giả thuyết công tắc điều hòa của Allis và cộng sự. Sự methyl hóa ở H3K9 và sự gắn kết đồng thời của PH1 không chỉ được phát hiện ở chất dị nhiễm sắc mà còn góp phần vào sự bất hoạt một số gene ở chất nhiễm sắc thật (vùng sáng, thưa và hoạt động hơn của chất nhân). Nếu HP1 có thể bị buộc phải rời vị trí bởi sự phosphoryl hóa H3S10 thì sự kiềm chế đó có thể bị phục hồi. Tuy nhiên vùng chất nhân nơi HP1 liên kết vẫn còn bị gắn nhãn bởi các nhóm methyl ở H3K9. Vì thế nếu nhóm phosphate của H3S10 bị loại bỏ (bằng protein phosphatase) thì điều này sẽ làm cho methyl H3K9 không bị cạnh tranh có mặt để phục hồi sự gắn kết của HP1 và tái thiết lại chất dị nhiễm sắc. Mô hình này thống nhất với những nghiên cứu cho rằng một histone methylase và một protein phosphatase có liên quan đến sự kiểm soát quá trình hình thành chất dị nhiễm sắc ở ruồi giấm. Liệu điều này có đúng với cơ chế điều hòa vùng chất nhiễm sắc thật hay không còn phải xem xét.


Một nghiên cứu khác trong số báo này (trang 1181) đề xuất rằng cơ chế bật tắt methyl-phospho có ứng dụng rộng rãi hơn. Flanagan và cộng sự mô tả cấu trúc tinh thể của vùng nhiễm sắc kép protein CHD1 ở động vật có vú khi đang ở trạng thái liên kết với một peptide H3 chứa H3K4 đã methyl hóa. Phương thức vùng nhiễm sắc CHD1 liên kết với lysine đã methyl hóa dường như khác với cách mà HP1 liên kết. Tuy nhiên liên kết của vùng nhiễm sắc CHD1 với H3K4 đã bị methyl hóa bị vô hiệu hóa in vitro thông qua quá trình phosphoryl hóa threonine bên cạnh. Rõ ràng CHD1 giống với helicase, một enzyme có khả năng nới lỏng sự tiếp xúc giữa DNA và thể nhân. Như vậy sự tương tác có kiểm soát giữa CHD1 với H3K4 nhờ sự phosphoryl hóa H3T3 có thể điều hòa sự tiếp cận của protein điều hòa với DNA để kiểm soát biểu hiện gene.

Sử dụng công tắc tắt bật hai chiều để loại bỏ những protein liên kết với histones bị methyl hóa về cơ bản sẽ đảo ngược tác động của sự methyl hóa histone. Cho tới nay người ta phát hiện tế bào còn sử dụng hai phương pháp nữa để đạt được kết quả này. Thứ nhất, khi RNA polymerase trượt trên gene để tạo mRNA mã hóa thì nó đẩy thể nhân ra khỏi DNA. Thể nhân tái tạo lại một khi polymerase đã đi qua, và quá trình có thể thay thế histone đã bị methyl hóa bằng những histone không bị methyl hóa. Thứ hai, enzyme histone demethylase có thể trực tiếp cắt các nhóm methyl khỏi những lysine đặc biệt.


Tại sao lại dùng ba cơ chế để đạt được cùng một kết quả hóa sinh? Do mỗi cơ chế có một tác động tổng thể khác nhau. Sự đẩy thể nhân ra khỏi vị trí của nó bởi RNA polymerase có thể loại bỏ tất cả những dấu vết hiệu chỉnh trên thể nhân (hình 1b). Quá trình khử gốc methyl ở lysine có thể đặc hiệu với một số thể nhân nào đó, nhưng nó cũng sẽ  "tẩy xoá" nguyên cả hệ thống methyl hóa. Tuy nhiên, bằng cách không can thiệp đến các gốc methyl và thải loại các yếu tố liên kết methyl-lysine qua sự phosphoryl hóa các amino acid kề bên, tế bào có thể nhanh chóng tái tổ chức cấu trúc NST trên quy mô lớn trong khi vẫn giữ nguyên hệ gốc methyl thiết yếu; điều này cho phép cấu trúc ban đầu được phục hồi dựa trên quá trình khử gốc phospho.


Việc Fischle và cộng sự xác định được 16 trường hợp lysine được kẹp hai bên bởi serine hoặc threonine trong số bốn histone tạo nên thể nhân nói lên rằng có khả năng có thêm những "công tắc"  bật tắt như vậy nữa. Chuỗi cườm đơn điệu thực chất là một chuỗi ngọc trai muôn màu muôn vẻ cạnh tranh với nhau để kiểm soát sự biểu hiện của gene.




4381090af1127ly.jpg


Figure: Ba cơ chế đối lập nhau để điều hòa sự gắn kết của các protein liên kết đặc hiệu với các histone bị methyl hóa. a)nhóm Fischle và nhóm Hirota đã cho ta thấy rằng sự phosphoryl hóa một serine hay threonine nằm kề bên một lysine đã bị methyl hóa sẽ tạo ra một đơn vị methyl-phospho. Đơn vị này không còn có thể gắn kết với các protein liên kết methyl. Quá trình phosphoryl hóa có thể dễ dàng đảo nghịch bằng một phosphatase. Cơ chế này giữ nguyên hệ thống gốc methyl ban đầu. b) Sự trượt qua của RNA polymerase II có thể dẫn đến sự thay thế thể nhân, làm mất hệ thống gốc methyl ban đâu. c) Hệ thống đặc thù về vị trí của  thể nhân bị methyl hóa có thể bị xóa bỏ bởi histone demethylase. Trong trường hợp b và c, hệ gốc methyl chỉ có thể phục hồi bằng sự hoạt động trở lại của histone methyltransferase có định vị.
 

Facebook

Thống kê diễn đàn

Threads
11,660
Messages
71,565
Members
56,298
Latest member
kelvinw021
Back
Top