真核生物基因表达调控

第十章真核生物基因表达调控

第一节染色质结构与基因表达

染色质是细胞核中基因组DNA与蛋白质构成的复合体。染色质的基本结构单位是核小体。10 nm粗的纤维可以进一步盘绕成30 nm粗的纤维。在分裂期，30 nm粗纤维再折叠成具有一定形态结构的染色体。分裂期结束后，染色体又转化为染色质。按照功能不同，可将染色质划分为活性染色质和非活性染色质。前者是指那些具有转录活性的染色质，而后者则用于表示缺乏转录活性的染色质。在结构上，活性染色质和非活性染色质也有很大的差异。具有转录活性的染色质区域为一种开放、松散的结构。而非活性染色质呈现一种高度浓缩的形态，转录机器不能与其中的启动子结合，因而没有转录活性。异染色质就是一种典型的非活性染色质。

一、位置效应

位置效应（position effect）是指一个基因由于在基因组的位置发生改变，而发生的表达上的变化。

二、活性染色质的特征

与非表达区域中核小体结构紧密、间隔规则相比，其核小体组装较为伸展或不规则。这样的一种结构有利于转录因子的结合，以及RNA聚合酶沿模板的滑动。在转录起始区以及某些特殊的区域，核小体的构象变化更为明显，DNase I和微球菌核酸酶等非特异性内切酶可用于检测这种变化。

三、染色质结构的调节

在原核细胞中，RNA聚合酶和调节蛋白可以自由地接近DNA。由组蛋白和基因组DNA两部分组成的染色质结构限制了转录因子对DNA的接近与结合，实际上起着阻遏转录的作用。基因转录需要染色质发生一系列重要的变化，如染色质去凝集，核小体变成开放式的疏松结构，使转录因子等更容易接近并结合核小体DNA。有两种方式可以显著改变DNA的易接近性：组蛋白的乙酰化和核小体重塑。组蛋白的去乙酰化，则可以使染色质凝集，引起基因沉默。

1．组蛋白N端尾的修饰对染色质结构及基因转录的影响

每种核心组蛋白包括一个～80个氨基酸残基构成的保守的区域称为组蛋白

折叠域（histone fold domain）和一个突出于核小体核心之外、由20个氨基酸残基组成的N端尾。N端尾的相互作用对核小体的聚集和染色质折叠非常重要，也是组蛋白的主要修饰部位。核小体N端尾的修饰作用包括位点特异的磷酸化、乙酰化和甲基化。

2．核小体重塑

核小体重塑涉及在基因组一个较短的区域中核小体位置的改变或者结构的改变，是一个能量依赖的过程，由核小体重塑复合体（chromatin remodeling complex）催化完成。重塑复合体利用ATP水解释放的能量，介导二种主要的反应：（1）组蛋白八聚体沿DNA滑动；（2）在不改变位置的情况下使核小体变成一种较为松散的结构。

四、染色质结构的区间性

1．绝缘子

绝缘子是一组在真核生物基因组中建立独立的转录活性区的调控元件，它具有两种性质。第一，当绝缘子位于增强子或者沉默子与启动子之间时可以阻断增强子对启动子的作用。第二，绝缘子可以使其界定的基因的表达不受位置效应的影响。在转基因时，目的基因整合到染色体上的不同位置，因位置效应作用基因的表达水平差异很大。但是，如果在目的基因的两侧连接上绝缘子，目的基因往往不受染色体位置效应的影响。

2．基质附着区（matrix attachment region，MAR）

无论是在原核细胞还是在真核细胞中，基因组DNA形成巨大的环状结构，环的基部附着在染色体支架上。在细菌中环的长度大概是40 kb，而真核生物的DNA环要长一些，大约60 kb。

3.基因座控制位点

人类的β－珠蛋白基因簇长约60 Kb，含有5个功能基因，它们的排列顺序是5’－ε－γG－γA－δ－β－3’。其中ε在胚胎早期表达，γG和γA在胎儿时期表达，δ和β在成体中表达。每个β－珠蛋白基因都有自己的一套调控系统，但它们的表达还要受到基因簇上游12 Kb的基因座控制位点（locus control region, LCR）的控制。LCR具有增强转录的功能。

4. 沉默子

在酿酒酵母中，HML和HMR位点，以及接近端粒的染色质区域，形成一种抑制性染色质结构，因此在转录上是沉默的。HM位点上的沉默效应是由位点两侧、短的被称为沉默子的特异序列起始的。HML的沉默子分别是HML-E和HML-I；HMR的沉默子分别是HMR－E和HMR－I。

第二节DNA甲基化与基因组沉默

一、DNA甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基化酶（DNA methyltransferase）的作用下，以S－腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将甲基转移到DNA分子的胞嘧啶碱基上形成5－甲基胞嘧啶的过程。胞嘧啶的甲基化作用不是随机的。在脊椎动物基因组中胞嘧啶甲基化仅限于5’－CG－3’二核苷酸，植物中仅限于5’－CG－3’二核苷酸和5’－CNG－3’三核苷酸。

DNA的甲基化反应分为两种类型。第一类是维持甲基化（maintenance methylation）。当复制刚刚完成时，仅有亲本链上的C被甲基化，而子链的对应位点上的C未被甲基化。维持甲基化则是使子链上的这个C被甲基化，保证两个子代DNA分子保持与亲本分子相同的甲基化模式。第二类是从头合成甲基化（de novo methylation），可在基因组新的位置上添加甲基，从而改变了基因组局部区域的甲基化模式。

二、DNA甲基化与基因组沉默

DNA甲基化可以引起基因沉默。把甲基化的或未甲基化的基因引入细胞，检测它们的表达水平，结果显示甲基化的DNA不表达。在检测染色体DNA的甲基化模式时，发现DNA甲基化水平与相邻基因的表达水平呈负相关。

甲基化的生物学效应是由各种m CpG结合蛋白（methyl-CpG-binding proteins, MeCP）介导的。MeCP与启动子区甲基化的CpG岛结合，募集一些蛋白质，形成转录抑制复合物，阻止转录因子与启动子结合，从而抑制基因转录。

三、DNA甲基化与基因组印记

在一个二倍体细胞中，常染色体基因有两个拷贝，一个来自父本，一个来自母本。多数情况下，两个基因在功能上是等价，它们在表达水平上具有可比性。但在少数情况下，二倍体细胞核中同源染色体上的一对等位基因中只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默，这种现象就是基因印记，就如同基因被打上了亲