基因型和基因表型

基因型和基因表型

黄超峰(北京大学医学部预防医学系北京100083)

摘要　基因表型修饰是基因功能的选择性激活和失活,与基因型相比,它包含了更有序更精确的基因信息。近来,许多调节蛋白如DNA甲基转移酶、甲基CPG粘附蛋白、组蛋白修饰酶、染色质重塑因子和它们的复合物被发现,在此基础上所进行的实验更明确了DNA转录、复制、突变、修复,染色质重组,染色体移位的分子基础。基因表型状态的异常决定了人类某些疾病,尤其是生长缺陷和肿瘤。因此,基因表型将成为未来生物医学发现的突破口。

关键词　基因型　基因表型　基因表型修饰

生物体基因型是指生物体的遗传结构,即D NA分子的碱基序列,它包含了生物体的遗传信息。不同物种及同一物种不同个体的基因型是不同的,遗传信息表达的特定产物,决定了生物的表现型。同一个体不同组织的细胞只有特定的基因片段表达,从而执行不同的功能。基因表达调控可在多个层面进行:基因转录成RN A;R NA的加工;mRN A从胞核向胞质的转运;mR-N A的降解;蛋白质翻译后修饰;蛋白质降解。其中,基因转录水平的调节最为关键。基因表达调控机制Ⅰ是DN A元件与调节因子的相互作用。各种调节因子最终都使RN A聚合酶活性改变,调控相应基因的表达。本文将重点阐述有关基因表型修饰和基因表达Ⅱ调控机制方面的近期研究结果。

1　基因表型及基因表型修饰(基因表达Ⅱ型调控机制)

随着科学技术的进步,人们对基因表达调控机制有了新的认识,提出基因表型(epigenetics)的概念。基因组结构相同的同一个体的不同组织细胞,却具有不同的结构和功能,这是由于参与表达的基因片段不同、以及各基因片段空间构型的不同,即基因表型不同。而且,基因表型一定程度上在细胞分裂过程中可传递给子代细胞。

1999年,Wo lffe和A tzke[1]将基因表型定义为:没有DN A序列改变的基因表达状态的可遗传性变化。基因表型实际上指基因甲基化程度和染色质的状态。基因表型的改变称为基因表型修饰,基因表型修饰有一套精密的系统,可控制功能基因的激活和失活,从而选择性地使特定的遗传信息表达。在分子水平上,包括DN A甲基转移酶,甲基-CP G岛粘附蛋白、组蛋白修饰酶、染色质重塑因子等的协同作用,还包括染色体结构(如着丝粒、端粒、次缢痕)的状态改变。研究发现,基因表型状态可随DN A的复制而遗传,一些实验表明基遗传方式为母系遗传[2]。因此,基因表型状态、D NA甲基化方式、染色质组装方式在细胞周期中是相对稳定的。1.1　D NA甲基化　结构基因含有很多CPG结构,-CP G和-GP C中两个胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化,且两个甲基集团在D NA双链大沟中呈特定三维结构。基因组中60%～90%的CPG都被甲基化,未甲基化的CP G成簇地组成CPG岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。有实验证明超甲基化阻遏转录的进行。DN A甲基化可引起基因组中相应区域染色质结构变化,使DN A失去核酶/限制性内切酶的切割位点,以及DN A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。5位C甲基化的胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶,由此可能导致基因置换突变,发生碱基错配:T-G,如果在细胞分裂过程中不被纠正,就会诱发遗传病或癌症,而且,生物体甲基化的方式是稳定的,可遗传的[3]。

DN A甲基转移酶有两种:1)DN M T1,持续性D NA甲基转移酶——作用于仅有一条链甲基化的D NA双链,使其完全甲基化,可参与D NA复制双链中的新合成链的甲基化,DN M T1可能直接与HDA C(组蛋白去乙酰基转移酶)联合作用阻断转录;2)DN M T3a、D NM T3b从头甲基转移酶,它们可甲基化CPG,使其半甲基化,继而全甲基化。从头甲基转移酶可能参与细胞生长分化调控,其中D NM T3b在肿瘤基因甲基化中起重要作用。

DN A去甲基化有两种方式:1)被动途径:由于核因子N F粘附甲基化的DN A,使粘附点附近的DN A 不能被完全甲基化,从而阻断DN M T1的作用;2)主动途径:是由去甲基酶的作用,将甲基集团移去的过程。

在DN A甲基化阻遏基因表达的过程中,甲基化CP G粘附蛋白起着重要作用。虽然甲基化DN A可直接作用于甲基化敏感转录因子E2F、CREB、A P2、C M yc/M yn、N F-K B、C m yb、Ets,使它们失去结合DN A的功能从而阻断转录,但是,甲基化CP G粘附分子可作用于甲基化非敏感转录因子(SP1、CT F、YY1),使它们失活,从而阻断转录。人们已发现5种带有恒定的甲基化

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—生　物　学　通　报 2003年第38卷第11期

DN A结合域(M BD)的甲基化CP G粘附蛋白。其中M ECP2、M BD1、M BD2、M BD3参与甲基化有关的转录阻遏;M BD1有糖基转移酶活性,可将T从错配碱基对T/G中移去,M BD4基因的突变还与线粒体不稳定的肿瘤发生有关。在M BD2缺陷的小鼠细胞中,不含M ECP1复合物,不能有效阻止甲基化基因的表达。这表明甲基化CP G粘附蛋白在DN A甲基化方式的选择,以及DN A甲基化与组蛋白去乙酰化、染色质重组相互联系中的有重要作用[4]。

1.2　组蛋白修饰和染色质重塑　核小体是染色质基本组成单位,由组蛋白和DN A组成,其核心与DN A 紧密相连。核小体不单是D NA的包装单位,它与转录机制密切相关,核小体中的组蛋白的变化对基因表型影响较大。Dr.abid Allis曾提出过“组蛋白密码”的概念[5],指组蛋白N端修饰方式的综合,包括乙酰化、甲基化、磷酸化、A DP-核糖化,它们在基因表达、DN A复制和染色质依赖性过程中起作用。染色质结构的改变是组蛋白共价修饰和染色质重塑复合物共同作用的结果。

1.2.1　组蛋白修饰　H3・H4的乙酰化可打开一个开放的染色质结构,增加基因的表达。转录共同激活物如CBP/P300、PCAF实质上是体内的组蛋白乙酰基转移酶(HA T)。相反,HDA C参与组成转录共同抑制复合物,已发现的两个共同抑制复合物SIN3、M i2-N HRD (核小体重塑蛋白去乙酰基酶)都含有HDA C1、HDA C2。SIN3的组成为核心(HDA C1、HDA C2、RBA P46/R BA P48)+SIN3A/SIN3B、SA P30/SA P18共同构成。SIN3复合物通过组分SIN3A与序列特异性转录因子或共同抑制物包括mael-max,核激素受体N-COR/SM RT、甲基化CP G粘附蛋白(N ECP2、M BD2)相互作用。M i2-N HRD由核心(HD AC1、HDA C2、RBA P46/R BA P48)+M i2、M T A1/M T A2、M BD3组成,其中M BD3含有M BD样序列,与甲基化DN A有低亲和力,分析发现M BD3与甲基化有关的氨基酸被置换,由此推测M BD3与M BD2相互作用而使M i2-N U RD与甲基化DN A结合。由此看出,DN A甲基化和组蛋白去乙酰化协同作用共同参与转录阻遏。此外, M i2-N U RD还有染色质重塑活性,所以SI N3和M i2-N U RD可能分别在长期和短期转录阻遏调节中起作用。

1.2.2　染色质重塑　DN A复制、转录、修复、重组在染色质水平发生,这些过程中,染色质重塑可导致核小体位置和结构的变化,引起染色质变化。A T P依赖的染色质重塑因子可重新定位核小体,改变核小体结构,共价修饰组蛋白。重塑包括多种变化,一般指染色质特定区域对核酶稳定性的变化。

人们发现体内染色质结构重塑存在于基因启动子中,转录因子T F以及染色质重塑因子与启动子上特定位点结合,引起特定核小体位置的改变(滑动),或核小体三维结构的改变,或二者兼有,它们都能改变染色质对核酶的敏感性。关于重塑因子调节基因表达机制[6]的假设有两种:机制1)1个转录因子独立地与核小体DN A结合(DN A可以是核小体或核小体之间的),然后,这个转录因子再结合1个重塑因子,导致附近核小体结构发生稳定性的变化,又导致其他转录因子的结合,这是一个串联反应的过程;机制2)由重塑因子首先独立地与核小体结合,不改变其结构,但使其松动并发生滑动,这将导致转录因子的结合,从而使新形成的无核小体的区域稳定。

在核小体重塑过程中,重塑因子复合物的作用非常重要。这些复合物都具有A T P酶活性。SWI/SN F复合物和ISW I复合物家族是最先从酵母和果蝇体内发现的两种。SW I/SN F中的组分BR G1、hBR M和I SW I 相关复合物的组分Hsnf2L、Hsnf2h具有A T P酶活性。人的SWI/SNF复合物是1个有很多分子的聚合物,包含BR G1或hBM R和肿瘤抑制蛋白Hsnf5/V I-1,它主要激活基因转录,还与免疫球蛋白,T CR基因重组有关。ISW I复合物家族包括RSF、HuCHRA C、CA F13个复合物。RSF是1个异二聚体,组分包括Hsnf2h,主要参与转录起始:HucHR A C含有Hsnf2h和染色质组装因子Hacf1,与异染色质的复制状态维持有关;CA F1参与染色质组装,改变染色质的状态,使其与DN A功能相关。实验证明:BRG1、Hbrm、Hsnf2h、M i都显示了A T P酶的活性。此外,体外实验证明:SW2/SN F复合物和ISWI相关复合物的作用机制存在很大差别。

I SW I相关复合物只识别核小体,而SW I/SN F复合物识别核小体和裸露的DN A,亲和力高,通过与DN A作用,可移动核小体,产生更易被影响的DN A区域,且SW I/SN F的作用不受组蛋白N端或C端修饰的影响。

染色质重组过程中,核小体滑动可能是一种重要机制,它不改变核小体结构,但改变核小体与DN A的结合位置。实验证明,这种滑动能被核小体上游的“十字形”结构阻断。但“滑动”机制并不能解释所有实验现象。人们推测,在重组过程中,还有其他机制如核小体可能与DN A分离,然后核小体经过重排,结构变化后,与DN A重新组装,产生新的结构形式,整个过程是可逆的,受其他因子调节,某些因子可决定反应进行方向。

1.2.3　甲基化与染色质结构变化间的关系　机体调控基因表达的各个机制决不是孤立的,而是相互联系、相互协调的。DN A甲基化与组蛋白的去乙酰化、染色质重塑之间的关系,至今了解甚少,但这是理解基因表型修饰的调节基因表达机制的一个关键部分。

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2003年第38卷第11期 生　物　学　通　报