真菌基因(簇)的沉默及其激活机理

食品微生物课程论文

题目真菌基因（簇）的沉默及其激活机理

姓名费鹏学号2013309010006 专业食品科学评分

指导教师陈福生职称教授

中国·武汉

二○一三年十二月

真菌基因（簇）的沉默及其激活机理

摘要：真菌一直是人类获得各种抗生素、氨基酸、天然活性成分等的宝贵资源和天然加工厂。自从1986年Peerbolte发现基因沉默现象以来，如何利用真菌基因（簇）的沉默与激活一直是人们研究的热点。对真菌基因（簇）的沉默及其激活机理的深入研究不仅丰富和推动了真核生物表观遗传学的内容和发展，也极大地促进了真菌系统进化的研究和转基因沉默和激活问题的解决。本文介绍了真菌基因（簇）的沉默现象和机理，同时也对其激活方法与机理进行了综述。

关键词：真菌；基因沉默；基因激活

Abstract: Fungus has always been the precious resources and nature factory of various antibiotics, amino acids, natural active ingredients and so on for humans. Taking advantage of the fungus gene silencing and activation has attracted worldwide view since Peerbolte discovered gene silence in 1986. The in-depth study of the mechanism of fungus gene silencing and activation not only enriches and promotes epigenetics of eucaryon, but also greatly promotes the phylogenetic study of fungi and the research of taking advantage of the gene silencing and activation. This paper introduced the phenomenon and mechanism of fungus gene silencing and activation.

Keywords: fungus; gene silencing; gene activation

基因沉默(gene silencing) 是指生物体中特定基因由于种种原因不表达[1]，是生物细胞基因表达调节的一种重要手段。这种现象是Peerbolte 在1986 年首先在转基因植物中发现的，他发现导入并整合进受体基因组中的外源基因在当代转化体或其后代中表达受抑制[2]。后来，人们在线虫、真菌、昆虫、原生动物、果蝇、斑马鱼及老鼠中也陆续发现了基因沉默现象。

基因沉默一般发生在2种水平上，即：转录水平的基因沉默(transcriptional gene silencing，TGS)和转录后水平的基因沉默(post-transcriptional gene silencing，PTGS)[3]。两者统称为同源依赖型基因沉默(homology dependent gene silencing，HDGS)，是指外源基因进入宿主细胞而不能正常表达的现象。TGS一般只发生

于外源基因转录的起始和终止，是由于DNA修饰染色体异染色质化等原因使基因不能正常转录；PTGS发生在转录后，外源基因能够转录但无法翻译出产物蛋白，而且外源基因和内源基因通常一起沉默。

发生沉默的基因可以是外源性转移基因，也可以是入侵的病毒或宿主内源性基因。研究发现，环境因子、发育因子、DNA修饰、组蛋白乙酰化程度、基因拷贝数、位置效应、生物的保护性限制修饰以及基因的过度转录等均与基因沉默有关，双链RNA(double-stranded RNA，dsRNA)作为启动因素或中间体为不同生物基因沉默所共有[3]。

1.转录水平的基因沉默

转录水平的基因沉默是DNA水平上的，主要是由于基因启动子甲基化、异染色质化及位置效应等造成DNA无法被转录成RNA，故表达受抑制。

1.1 DNA甲基化

DNA甲基化作用是转录水平上表达调控的基本方式之一[4]，是最早发现的DNA修饰途径之一，也是造成TGS最主要的原因。大量研究表明，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，使DNA失去核酶限制性内切酶的切割位点，以及DNA 酶的敏感位点，使染色质高度螺旋化，凝缩成团，失去转录活性。

DNA甲基化是指生物体在DNA甲基转移酶(DNA methylation transferase, DNMT)的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸(s-adenosyl methionine，SAM )为甲基供体，将甲基转移到特定碱基上的过程[5]。真核生物基因组中存在广泛的甲基化，CpG 二核苷酸是最主要是甲基化位点，它在基因组中广泛存在但呈不均匀分布，在基因组的某些区段，CpG保持或高于正常概率，长度为300～3000 bp，这些区段被称作“CpG岛”。“CpG岛”主要位于基因的启动子（promotor）和第一外显子区域，约有60%以上基因的启动子含有“CpG”岛。“CpG”岛上的5’-胞嘧啶易被甲基化转变为5’-甲基胞嘧啶(5’-methylcytosine，5mC)。

真菌DNA甲基化位置与植物相同而与哺乳动物不同。在哺乳动物中，除位于第一外显子区域的CpG岛外，基因组中约75%的CpG二核苷酸被甲基化，其编码序列也常发生甲基化[6]。真菌和基因组的甲基化主要发生在转座子和其他重复序列，大部分基因组并不存在甲基化，包括CpG 二核苷酸。

目前已知甲基化影响基因表达的机制包括以下几种作用：

①直接作用: 甲基化直接干扰特异转录因子与启动子上识别位点的结合。转录因子AP2、Cmyc/Cmyn、CREB、E2F、NF2KB均可识别含有CpG残基的序列，每种转录因子与相应位点的结合都可由于甲基化而受到抑制，使基因转录终止。

②间接作用：基因5’端调控序列甲基化后与细胞核内甲基化CG序列结合蛋白结合，阻止了转录因子与基因形成转录复合物。

③染色质结构改变：具有转录活性的DNA 在甲基化后与甲基化CpG结合域( methyl-CpG binding domain，MBD )蛋白(如MBD2、MeCP2) 结合，而该蛋白所连接的组蛋白脱乙酰基酶(histone deacetylase，HDAC)1和2使组蛋白脱乙酰化，导致染色质结构变化而使转录抑制。

1.2重复序列诱导的点突变(repeat-induced point mutation, RIP)

RIP是真菌特有的一个有效检查重复序列并使之发生突变的过程，由Selker 等[7]于1986年在脉孢菌中发现。与动植物中的重复序列诱导的基因沉默(repeat-induced gene silencing, RIGS)相类似，外源基因如果以多拷贝的形式整合到同一位点上，形成首尾相连的正向重复(direct repeat ) 或头对头、尾对尾的反向重复( inverted repeat )，则不能表达。而且拷贝数越多，基因沉默现象越严重。这种基因沉默可能是重复序列间自发配对，甲基化酶特异性地识别这种配对结构而使其甲基化，从而抑制其表达。此外，重复序列间的相互配对还可以导致自身的异染色质化。其机理可能是异染色质化相关蛋白质识别重复序列间配对形成的拓扑结构与之结合，并将重复序列牵引到异染色质区，或直接使重复序列局部异染色质化。

Selker等[7]用脉孢菌染色体的ζ-η区(ζ和η分别为5SRNA的基因，二者序列高度相似且位于同一染色体上)研究DNA序列对DNA甲基化的诱导作用，结果发现在脉孢菌生活史的有性阶段，二个不同交配型的单核菌丝融合后，在核融合前，二个不同交配型的核处于同一原生质中时，重复序列很不稳定，尤其是前后连锁的重复序列容易缺失或发生新始甲基化(denovomethylation)，而不连锁的重复序列发生修饰的几率相对低些。相反，单拷贝序列在整个生活史都是稳定的。重复序列的变化是由于其中的GpC 发生转换突变成为ApT [7]。