撰文
BruceStillman
编译
兮
年AlbertLasker基础医学研究奖授予了洛克菲勒大学的DavidAllis和加州大学洛杉矶分校的MichaelGrunstein，以表彰他们在组蛋白及其翻译后修饰在控制基因表达中所做出的贡献（Fordiscoverieselucidatinghowgeneexpressionisinfluencedbychemicalmodificationofhistones—theproteinsthatpackageDNAwithinchromosomes）。
同年，冷泉港实验室BruceStillman教授（从年起任冷泉港实验室主席）在Cell上发表了文章HistoneModifications:InsightsintoTheirInfluenceonGeneExpression，总结了两位获奖者的工作历程。现BioArt特主要参考该文章将组蛋白修饰与转录的历程呈现如下。
一、染色质和基因表达
一百多年来，人们已经认识到真核生物中的染色体同时包含DNA和蛋白质，这些蛋白质也包括组蛋白。很长一段时间，许多人认为蛋白质成分也携带有遗传信息，但是当DNA的双螺旋结构确定后，该观点发生了变化，遗传信息隐藏在了DNA之中，而DNA不仅可以遗传还可以突变。
年，RogerKornberg在Science上发表文章Chromatinstructure:arepeatingunitofhistonesandDNA，提出染色质由重复的核小体单元组成，每一个核小体包含四个不同组蛋白成分，并且每一个成分都有两个拷贝，同时含有大约bp的DNA。
随后，针对核小体颗粒的高分辨率结构揭示了其细节，轻微扭曲的双螺旋围绕核心组蛋白八聚体（2xH2A，2xH2B，2xH3，2xH4）绕了两圈。另外，组蛋白氨基酸序列的细微不同可以增加染色体内核小体类型和功能的多样性，例如，组蛋白H3在细胞中的大多数核小体中都以H3.1或H3.2的形式存在，但是H3.3通常与转录的DNA相关，并且在着丝粒处发现了相关的变体CenH3，但这些差异的组蛋白与转录有何种关系以及对于核功能的影响如何却不甚清楚。
提出核小体的结构三年后即年，在冷泉港实验室举行的关于染色质的著名研讨会上进行了很多讨论，重点讨论了组蛋白和染色质如何影响基因表达。有关组蛋白功能的设想从被动参与染色质结构到主动抑制基因表达等，但许多讨论都是推测性的，尚无定论。
从左至右依次为：PierreChambon,MarkusNoll,FrancisCrick
往回倒13年即年，VincentAllfrey在PNAS上发表文章AcetylationandmethylationofhistonesandtheirpossibleroleintheregulationofRNAsynthesis，发现组蛋白被翻译后会有乙酰化和甲基化修饰，并且推测这些修饰与基因表达相关。然而，尽管他发表了大量论文，但仅这些研究并不能证明这些组蛋白修饰对于转录控制至关重要。但尽管如此，Allfrey在组蛋白领域做出了开拓性的研究（该PNAS文章已被引用多次）。可惜的是，Allfrey于2年去世，因此无缘拉斯克奖。在这些早期相关发现的基础上，DavidAllis和MichaelGrunstein的研究改变了我们如何理解组蛋白在基因表达控制中的作用，并扩大了人们对染色质的复杂性和美感的认识。
二、酵母中的发现
那么组蛋白与基因表达的关系是怎样的呢？
Grunstein证明组蛋白在酿酒酵母（S.cerevisiae）中的基因表达激活中起主要作用。年，Grunstein在Cell杂志上发表文章Nucleosomelossactivatesyeastdownstreampromotersinvivo，设计了一种酵母菌株，可以控制细胞中组蛋白H4的水平，当组蛋白H4水平降低时，某些基因如PHO5的表达升高了（在低磷酸盐水平下PHO5才被激活，而在正常水平的磷酸盐条件下PHO5不被激活）。
有趣的是，并非所有基因的反应方式都与PHO5相同，因此推测在PHO5启动子的H4核小体抑制了该基因转录。与该观察结果一致，Grunstein表明，降低组蛋白H4时，PHO5的启动子更容易被核酸酶消化。这项早期研究似乎证实了曾被怀疑的事实，即核小体位于某些启动子上可以控制基因的表达，这与长期以来一直认为核小体中的组蛋白只是被动阻碍位点特异性转录因子并阻止其发生的观点一致。但是这种观点很快就被改变了。
酵母中组蛋白H4是如何影响基因表达的呢？
利用上述H4表达控制模型，Grunstein随后对H4进行定点突变，包括删除或突变组蛋白H4尾部氨基末端中的特定氨基酸。他证明了组蛋白H4氨基末端的缺失，尤其是保守性的赖氨酸（K）残基的突变（已知赖氨酸可被乙酰化和去乙酰化）会影响相应的基因表达。在年时，Grustein在Cell上发表文章YeasthistoneH4N-terminalsequenceisrequiredforpromoteractivationinvivo，利用这种突变组蛋白H4的酵母模型，Grunstein发现在半乳糖处理中GAL1的转录被激活，而在低磷酸盐水平下PHO5的激活受到影响。同上，并不是所有的基因都受到影响，比如组成型激活基因就没有受到影响。这些结果表明，组蛋白H4中的赖氨酸残基以及可能的乙酰化是诱导基因表达所必需的。
上述这些研究都是证明了组蛋白H4与基因的激活相关，那么H4是否与基因的表达抑制也相关呢？
在出芽酵母中另一个被研究的比较充分的基因调节系统是可遗传沉默型配对基因座HMLα和HMRα，其沉默由SIR1、SIR2、SIR3和SIR4（现在知道这四个是NAD依赖型组蛋白去乙酰化酶）介导。年，Grunstein在PNAS上发表文章GeneticevidenceforaninteractionbetweenSIR3andhistoneH4intherepressionofthesilentmatinglociinSaccharomycescerevisiae，证明了HMLα和HMRα的沉默需要H4尾端的氨基酸残基尤其是K16的乙酰化。
年，Grunstein在Nature发表文章（终于又到Nature了）SpreadingoftranscriptionalrepressorSIR3fromtelomericheterochromatin，揭示SIR3、SIR4与H3、H4存在互作。SIR3和SIR4可以通过与序列特异性DNA结合蛋白以及组蛋白相互作用而沿着染色质分布，另外其在端粒以及高度重复的核糖体基因的转录抑制中也发挥了一定的作用。
因此，Grunstein的研究为揭示组蛋白，特别是组蛋白氨基末端尾巴在基因转录控制中的关键作用打开了大门：组蛋白即可参与激活基因表达，也可参与抑制基因表达。重要的是，这些