Amino acids of histone tail are covalently modified in eukaryotic cells. Lysine residues in histone H3 and H4 are methylated at three levels; mono-, di- or trimethylation. Methylation in histones is related with transcription of the genes in distinct pattern depending on lysine residues and methylated levels. Relation between transcription and methylation has been relatively well understood at three lysines H3K4, H3K9 and H3K36. H3K4 is methylated in active or potentially active chromatin and its methylation associates with active transcription. H3K9 is generally methylated in heterochromatin or repressed gene, but trimethylation of this lysine occur in actively transcribed genes also. Methylation at H3K36 generally correlates with active chromatin/transcription, but the correlation of its dimethylation with transcription is controversial. All together methylation patterns of individual lysine residues in histone relate with activation or repression of transcription and may provide distinctive roles in transcriptional regulation of the eukaryotic genes.
Our genome exists in the form of chromatin, and its structural organization should be precisely regulated with an appropriate dynamic nature for life. The basic unit of chromatin is a nucleosome, which consists of a histone octamer. These nucleosomal histones are subject to various covalent modifications, one of which is methylation on certain lysine residues. Recent studies in histone biology identified many histone Iysine methyltransferases (HKMTs) responsible for respective lysine residues and uncovered various kinds of involved chromatin associating proteins and many related epigenetic phenotypes. With the aid of highly precise experimental tools, multi-disciplinary approaches have widened our understanding of how lysine methylation functions in diverse epigenetic processes though detailed mechanisms remain elusive. Still being considered as a relatively more stable mark than other modifications, the recent discovery of lysine demethylases will confer more flexibility on epigenetic memory transmitted through histone lysine methylation. In this review, advances that have been recently observed in epigenetic phenotypes related with histone lysine methylation and the enzymes for depositing and removing the methyl mark are provided.
Adipogenesis as a model system is needed to understand the molecular mechanisms of human adipocyte biology and the pathogenesis of obesity, diabetes, and other metabolic syndromes. Many relevant studies have been conducted with a focus on gene expression regulation and intracellular signaling relating to Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) and CCAAT/enhancer-binding protein alpha (C/EBPα), which are master adipogenic transcription factors. However, epigenome regulation of adipogenesis by epigenomic modifiers or histone mutations is not fully understood. Histone methylation is one of the major epigenetic modifications on gene expression in mammals, and histone H3 lysine methylation (H3Kme) in particular implicates cell differentiation during various tissue and organ development. During adipogenesis, cell type-specific enhancers are marked by histone H3K4me1 with the active enhancer mark H3K27ac. Mixed-lineage leukemia 4 (MLL4) is a major H3K4 mono-methyltransferase on the adipogenic enhancers of PPARγ and C/EBPα loci. Thus, MLL4 is an important epigenomic modifier for adipogenesis. The repressive mark H3K27me3 is mediated by the enzymatic subunit Enhancer zeste homolog 2 (EZH2) of the polycomb repressive complex 2. EZH2-mediated H3K27 tri-methylation on the Wnt gene increases adipogenesis because WNT signaling is a negative regulator of adipogenesis. This review summarizes current knowledge about the epigenomic regulation of adipogenesis by histone H3 lysine methylation which fundamentally regulates gene expression.
Park, Kwang-Sook;Frost, Blaise F.;Lee, Hyang-Woo;Kim, Sang-Duk;Paik, Woon-Ki
Archives of Pharmacal Research
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v.12
no.2
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pp.79-87
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1989
Enzymatic methylation of arginine and lysine residues of several cytochrome c and lysine residue of calmodulin always resulted in lowering of their respective isoelectric points (pI). Employing cytochromes c derived from various sources, we examined a possible relationship between the degree of amino acid sequence degeneracy and the magnitude of change in the pI values by enzymatic methylation, and found that there was no correlation between these two parameters. By constructing space-filling models of oligopeptide fragments adjacent to the potential methylation sites, we have noted that not all the methylatable residues are able to form hydrogen bonds prior to the methylation. Two preparations of yeast apocytochrome c, one chemically prepared by removing heme from holocytochrome c and the other by translating yeast iso-1-cytochrome c mRNA in vitro, exhibited slightly higher Stokes radii than the homologous holocytochrome c, indicating relatively 'relaxed or open' conformation of the protein. However, when the in vitro synthesized methylated apocytochrome c was compared with the unmethylated counter-part, the Stokes radius of the latter was found to be larger.
Immediately after fertilization, a chromatin remodeling process in the oocyte cytoplasm extracts protamine molecules from the sperm-derived DNA and loads histones onto it. We examined how the histone H3-lysine 9 methylation system is established on the remodeled sperm chromatin in mice. We found that the paternal pronucleus was not stained for dimethylated H3-K9 (H3-$m_2K9$) during pronucleus development, while the maternal genome stained intensively. Such H3-$m_2K9$ asymmetry between the parental pronuclei was independent of $HP1{\beta}$ localization and, much like DNA methylation, was preserved to the two-cell stage when the nucleus appeared to be compartmentalized for H3-$m_2K9$. A conspicuous increase in H3-$m_2K9$ level was observed at the four-cell stage, and then the level was maintained without a visible change up to the blastocyst stage. The behavior of H3-$m_2K9$ was very similar, but not identical, to that of 5-methylcytosine during preimplantation development, suggesting that there is some connection between methylation of histone and of DNA in early mouse development.
Protein methylation occurs ubiquitously in nature and involves N-methylation of lysine, arginine, histidine, alanine, proline and glutamine, O-methylesterfication o dicarboxylic acids, and S-methylation of cysteine and methionine. In nature, methylated amino acids accur in highly specialized proteins such as histones, flagella proteins, myosin, actin, ribosomal proteins. hn RNA-bound protein, HMG-1 and HMG-2 protein, opsin, EF-Tu, EF-$1\alpha$, porcine heart citrate synthase, calmodulin, ferredoxin, $1\alpha$-amylase, heat shock protein, scleroderma antigen, nucleolar protein C23 and IF-3l.
The level and activity of critical regulatory proteins in cells are tightly controlled by several tiers of post-translational modifications. HIF-1α is maintained at low levels under normoxia conditions by the collaboration between PHD proteins and the VHL-containing E3 ubiquitin ligase complex. We recently identified a new physiologically relevant mechanism that regulates HIF-1α stability in the nucleus in response to cellular oxygen levels. This mechanism is based on the collaboration between the SET7/9 methyltransferase and the LSD1 demethylase. SET7/9 adds a methyl group to HIF-1α, which triggers degradation of the protein by the ubiquitin-proteasome system, whereas LSD1 removes the methyl group, leading to stabilization of HIF-1α under hypoxia conditions. In cells from knock-in mice with a mutation preventing HIF-1α methylation (Hif1αKA/KA), HIF-1α levels were increased in both normoxic and hypoxic conditions. Hif1αKA/KA knock-in mice displayed increased hematological parameters, such as red blood cell count and hemoglobin concentration. They also displayed pathological phenotypes; retinal and tumor-associated angiogenesis as well as tumor growth were increased in Hif1αKA/KA knock-in mice. Certain human cancer cells exhibit mutations that cause defects in HIF-1α methylation. In summary, this newly identified methylation-based regulation of HIF-1α stability constitutes another layer of regulation that is independent of previously identified mechanisms.
Park, Kwang-Sook;Frost, Blaise F.;Lee, Hyang-Woo;Kim, Sang-Duk;Paik, Woon-Ki
Archives of Pharmacal Research
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v.11
no.1
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pp.7-13
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1988
The yeast cytochrome c gene has been recloned, and the resulting cytochrome c mRNA has been translated in rabbit reticulocyte lysate translation system. The newly synthesized apocytochrome c could be methylated by exogenously added cytochrome c-lysine N-methyltransferase. Enzymatic methylation of in vitro synthesized apocytochrome c was found to facilitate specifically its import into mitochondria of yeast, but not of rat liver.
Direct methylation behaviors of 20 amino acids with tetramethylammonium hydroxide (TMAH) were studied under diluted conditions with silica. Amino acid concentration was controlled by dilution with silica ($SiO_2$) and the molar ratios of amino acid/silica were 0.20, 0.50, and 2.0. The molar ratios of amino acid/TMAH (0.51 - 4.64) also varied. It was found that arginine, asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamic acid, and glutamine did not generate any directly methylated pyrolysis products, whereas alanine, glycine, isoleucine, leucine, methionine, phenylanaline, valine, and proline generated all the directly methylated pyrolysis products. Tri- and tetra methylated products of lysine consisted of two types. Histidine and threonine hardly generated the partly methylated products. Mono- and dimethylated products of serine, tryptophan, and tyrosine were not observed. Relative intensities of the methylated products varied with the amino acid concentration, TMAH concentration, and pyrolysis temperature. Direct methylation behaviors of amino acids were explained by the structural characteristics of amino acids.
Di- and tri-methylation of lysine 4 on histone H3 (H3K4me2 and H3K4me3, respectively) are epigenetic markers of active genes. Complex associated with Set1 (COMPASS) mediates these H3K4 methylations. The involvement of COMPASS activity in secondary metabolite (SM) biosynthesis was first demonstrated with an Aspergillus nidulans cclA knockout mutant. The cclA knockout induced the transcription of two cryptic SM biosynthetic gene clusters, leading to the production of the cognate SM. Monascus spp. are filamentous fungi that have been used for food fermentation in eastern Asia, and the pigment Monascus azaphione (MAz) is their main SM. Monascus highly produces MAz, implying that the cognate biosynthetic genes are highly active in transcription. In the present study, we examined how COMPASS activity modulates MAz biosynthesis by inactivating Monascus purpureus cclA (Mp-cclA) and swd1 (Mp-swd1). For both ${\Delta}Mp-cclA$ and ${\Delta}Mp-swd1$, a reduction in MAz production, accompanied by an abated cell growth, was observed. Suppression of MAz production was more effective in an agar culture than in the submerged liquid culture. The fidelity of the ${\Delta}Mp-swd1$ phenotypes was verified by restoring the WT-like phenotypes in a reversion recombinant mutant, namely, trpCp: Mp-swd1, that was generated from the ${\Delta}Mp-swd1$ mutant. Real-time quantitative Polymerase chain reaction analysis indicated that the transcription of MAz biosynthetic genes was repressed in the ${\Delta}Mp-swd1$ mutant. This study demonstrated that MAz biosynthesis is under the control of COMPASS activity and that the extent of this regulation is dependent on growth conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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