ヒストンメチル化と脱メチル化の研究における化学的および生化学的アプローチ

ヒストンメチル化は、真核生物におけるDNA機能調節における最も重要なエピジェネティックイベントの1つです。古典的な分子生物学および遺伝学ツールは、さまざまな細胞プロセスにおけるヒストンメチルトランスフェラーゼとデメチラーゼのメカニズムと生理学的役割に関する重要な知識を提供します。このストリームラインに加えて、化学と化学関連の技術の開発と応用は、生物学的研究にますます関与しており、標準的な分子生物学法で得るのが困難な情報を提供します。本明細書では、クロマチン免疫沈降、化学的溶解、質量分析、生化学メチル化および脱メチル化アッセイ、および阻害剤の発生を含むヒストンメチル化の研究における化学的および生化学的アプローチの開発と適用における最近の成果と進展をレビューします。これらの技術的進歩により、ヒストンのメチル化をゲノム全体のレベルから分子レベルおよび原子レベルまで研究することができます。CHIPテクノロジーを使用すると、特定のプロモーター、遺伝子、または他のゲノム領域でのヒストンメチル化パターンの正確なマッピングに関する情報を取得できます。MSは、ヒストンおよび非ヒストンタンパク質基質のメチル化マークの検出と分析に特に役立ちます。ヒストンタンパク質へのメチル基の部位固有の取り込みを可能にする化学的アプローチは、個々の修飾部位でのメチル化の生物学的影響の調査を大幅に促進します。ヒストンメチルトランスフェラーゼとデメチラーゼの選択的有機阻害剤の発見と設計は、メチル化を介した細胞経路を尋問するための化学プローブを提供します。全体として、これらの化学関連の技術的進歩は、正常な生理学および病気の状態におけるヒストンメチル化の生物学的機能の理解を大幅に改善し、また、診療所の診断および治療用途に基本的なエピジェネティクスの研究を翻訳する可能性が非常に高い。

Histone methylation represents one of the most critical epigenetic events in DNA function regulation in eukaryotic organisms. Classic molecular biology and genetics tools provide significant knowledge about mechanisms and physiological roles of histone methyltransferases and demethylases in various cellular processes. In addition to this stream line, development and application of chemistry and chemistry-related techniques are increasingly involved in biological study, and offer information otherwise difficult to obtain by standard molecular biology methods. Herein, we review recent achievements and progress in developing and applying chemical and biochemical approaches in the study of histone methylation, including chromatin immunoprecipitation, chemical ligation, mass spectrometry, biochemical methylation and demethylation assays, and inhibitor development. These technological advances allow histone methylation to be studied from genome-wide level to molecular and atomic levels. With ChIP technology, information can be obtained about precise mapping of histone methylation patterns at specific promoters, genes, or other genomic regions. MS is particularly useful in detecting and analyzing methylation marks in histone and nonhistone protein substrates. Chemical approaches that permit site-specific incorporation of methyl groups into histone proteins greatly facilitate the investigation of biological impacts of methylation at individual modification sites. Discovery and design of selective organic inhibitors of histone methyltransferases and demethylases provide chemical probes to interrogate methylation-mediated cellular pathways. Overall, these chemistry-related technological advances have greatly improved our understanding of the biological functions of histone methylation in normal physiology and diseased states, and also are of great potential to translate basic epigenetics research into diagnostic and therapeutic applications in the clinic.