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染色质构象真核基因的表达

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篷 HEREDITAS(Beijing)2011年12月 ISSN 0253-9772 www.chinagene.ca DoI:10.3724/S P_J.1005.2011.01291 综述 染色质构象真核基因的表达 亓合媛 ,张昭军 ,李雅娟 ,方向东 1.中国科学院北京基因组研究所重大疾病基因组和个体化医疗实验室,北京100029; 2.中国科学院研究生院,北京100049 摘要:真核基因的表达受到各种顺式元件、反式作用因子、染色质DNA以及组蛋白表观遗传修饰等多因 素、多层次的。染色质三维空间结构的变化在真核基因表达方面也发挥了至关重要的作用。染色质构 象的变化一方面可以使增强子等元件与靶基因相互靠近,从而促进基因表达;同时也可能通过形成空间位 阻结构阻碍元件作用于靶基因,抑制基因表达。虽然染色质结构变化真核基因表达的机制仍缺乏较为 精确的分子模型,但在组蛋白修饰、核小体定位、染色体领域以及染色质问相互作用等表观遗传学研究中,已 经发现有诸多证据支持染色质构象在真核基因表达中的重要地位。文章主要综述了染色质结构及其构象的 变化等对真核基因表达的影响。 关键词: 染色质构象;转录;表观遗传学 Role of chromatin conformation in eukaryotic gene regulation QI He.Yuan , ,ZHANG Zhao.Jun ,LI Ya—Juan ,FANG Xiang.Dong 1.Laboratory ofDisease Genomics andPersonalizedMedicine,BeijingInstitute fGenomiocs,ChineseAcademy ofSciences,Beijing 100029,China; 2.Graduate School ofChineseAcademy ofSciences,Beijing 100049,China Abstract:Gene expression in eukaryotes is regulated at multiple levels,which involves various c/s—regulatory elements and trans—acting factors at transcriptional 1eve1.In addition DNA methylation and histone modifications also play crucial roles in epigenetic regulation of eukaryotic genes.It is pivotal for evaluating the regulation of gene expression to understand the structural properties and spatial organization of chromatin at 3-D 1eve1.The dynamic alternations of chromatin confor. mation can either activate gene expression by facilitating the interactions between enhancers or other cis..regulatory ele.. ments and their target genes or suppress gene expression by blocking the interactions due to steric hindranceAlthough the .precise molecular mechanisms underlying the gene regulation via conformational changes of chromatin remain obscure, epigenetic studies including histone modification,nucleosome positioning,chromosome territories as well as chromatin interactions,have provided accumulating evidence to demonstrate the significance of chromatin conformation in eukaryotic gene regulation.Here,we reviewed the recent advances on the role of dynamic alterations of chromatin in gene regulationwhich occur at different 1evels from the primary structure to three dimensiona1 conformation. , 收稿日期:2011-07—20;修回日期:2011—09—14 基金项目:国家自然科学基金项目(编号:30971673和31100924) ̄中国科学院知识创新工程百人计划和青年人才领域前沿项目资助 作者简介:亓合媛,在读硕士研究生,专业方向:表观遗传学。Tel:010.82995352:E—mail:qihy@big.ac.cn 通讯作者:方向东,博士,研究员,研究方向:干细胞分化的表观遗传学机制。E.mail:fangxd@big.ac.cn 网络出版时间:2011—10.11 9:23:41 URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20111011.0923007.html .1294 瞧 HEREDITAS(Beijing)201 1 第33卷 1.3组蛋白修饰 组蛋白修饰是指组蛋白氨基末端Lys(K)、Arg(R) 等氨基酸残基侧链N原子上发生的一系列翻译后修 饰,如:乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化及SUMO 化等㈣。 组蛋白乙酰化主要位于启动子和编码区的5 末 端,是组蛋白乙酰基转移酶(Histone acetyl ̄ans— ferase,HAT)和去乙酰化酶(Histone deacetylase, HDAC)平衡作用的结果。研究发现,乙酰化酶及其 激酶基因发生突变后,在应对外部信号时会发生错 误的基因激活¨引。 组蛋白甲基化相对复杂,且参与该修饰的酶类 也多种多样。组蛋白H3第4位Lys的三甲基化 (H3K4me3)主要存在于活性基因的启动子区f图1中 活性标签),是活化基因的组蛋白修饰标记,而位于 沉默基因启动子区的H3K4me3可能参与沉默基因 的重新激活,或作为该基因先前转录激活的记忆标 签。H3K4me1、H3K9mel、H3K27mel和H4K20me1 也主要参与转录激活。H3K9me3、H3K27me3和 H4K20me3与异染色质的形成和转录抑制有关(图1 中抑制标签)Il引。含H3K4me3与H3K27me3的基因 组区域被称为“二价基因结构域”(Bivalent domains), 这两种修饰所占比例的不同在一定程度上决定了该 处基因的激活或抑制状态。在已分化成熟的细胞中, 二价基因结构域将随着基因表达状态的改变而最终 只保留一类组蛋白修饰标签_l 】。 组蛋白修饰基因表达的机制主要有两种: 一是直接影响整体或局部染色质的结构。组蛋白乙 酰化和磷酸化修饰可有效减少组蛋白携带的正电荷, 电荷的变化在一定程度上会影响组蛋白与DNA的 静电互作,形成更加松散的染色质构象,有利于 DNA与转录因子等蛋白质的结合或靠近_l刖。在人类 红细胞D珠蛋白基因区域的组蛋白高度乙酰化,染 色质结构松散,DNase I敏感性较高,转录因子等易 与DNA结合,该基因组区域具有较高的转录活性『1 。 二是正或负作用分子与DNA的结合或靠 近。与染色质相关的作用因子主要通过其特殊的结 构域识别特定的组蛋白修饰基因表达。研究发 现ING蛋白家族的PDH结构域可识别H3K4me3, 并招募其他与染色质修饰相关分子如HAT与HDAC 等。Swi2/Snf2的布罗莫结构域(Bromodomain) ̄靶 向乙酰化的组蛋白,然后募集染色质重塑复合物 SWI/SNF,使得该处染色质结构更加开放[1引。 1.4其他影响染色质构象变化的因素 除染色质本身结构组成导致其空间构象的变化 以外,DNA甲基化、长非编码RNA(Long non.coding RNAs,lncRNA)、多梳家族(Polycomb group,PcG)蛋 白以及先锋转录因子(Pioneer factors)等也会影响染 色质的结构和功能。 DNA甲基化作为一个分子靶点,可以被某些特 定的结合蛋白所识别,也可阻碍转录因子的结合。 近来研究发现DNA甲基化与染色质结构的改变有 着密切的联系。利用荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)实验发现,DNA甲 基化可以改变单个核小体的结构及其动力学,导致 染色质形成更加致密的结构[2们。这表明CpG岛的甲 基化可以通过诱导染色质形成更加紧凑的结构而抑 制转录因子与靶基因的结合,从而抑制基因表达。 lncRNA通常是由基因间区、重复序列以及反义 链的DNA转录而成,对基因表达具有重要的作 用。研究发现一类lncRNA具有增强子(Enhancer)的 功能,能够与特殊的转录激活子形成复合体,增强 靶基因的表达。比如长度约为3.8 kb的非编码RNA Evf-2可与Dlx2形成复合物,发挥增强子的作用[2”。 新的研究结果表明部分lncRNA可引导染色质修饰 复合物到特定的基因组位点而引起组蛋白修饰的变 化,染色质的结构而影响基因的表达 , 。对 HOXA基因家族的研究发现,lncRNA HOTTIP可以 进入HOXA基因家族成员之间形成的染色质环内, 并与接头蛋白WDR5结合,使WDR5/MLL复合体 到达HOXA基因,促使该处H3K4me3的发生,进而 启动基因的活化[ 引。lncRNA HOTAIR作为一个脚手 架,其5 功能域可与多梳蛋白抑制复合体PRC2 (Polycomb repressive complex 2)结合,3’结构域可与 LSD1/CoREST/REST复合体结合,随着这两种酶类 作用于靶基因区域,从而分别促进H3K27me3的形 成以及H3K4me3的去甲基化,导致靶基因(如HOXD) 的沉默【 。 多梳家族蛋白是一类进化保守、结合并修饰染 色质的重要表观因子,主要包括PRC2与PRC1 第12期 亓合媛等:染色质构象真核基因的表达 1297 果却显示L3更接近于Ll,L2更靠近L4。另外,在 22号染色体上也发现的与14号染色体相类似的现 象l 。这些证据表明:分形球体构型能更好的解释 基因在核内的分布与表达的关系,为进一步阐 明染色质结构与生物学功能之间的联系提供了理论 依据。 3.3染色质构象变化的时空特异性 研究发现,鼠的多潜能细胞中,整个核内的染 色质排列比较松散,仅有少数聚集缠绕在一起;当 细胞分化后,染色质的结构随之发生变化,大部分 染色质聚集形成一种紧密压缩的构象。同时,细胞 特异性基因的表达也会促进细胞特异性染色质构象 的形成[4们。因此,在生物体不同发育时期,以及不同的 细胞类型中,染色质的三维空问结构是动态变化的。 对B珠蛋白基因LCR内的HSs研究发现,缺失 HS3核心序列珠蛋白的表达水平明显下降;而缺失 HS3整个区域,珠蛋白的表达水平反而仅仅降低 20%~30%。这一现象表明整个B珠蛋白家族所在基 因区域与LCR形成一种特异的染色质三级结构,其 对基因的表达起着重要的作用 l’ 。利用微球 菌核酸酶(MNase)敏感性实验和染色质构象捕获 (Chromosome conformation capture,3 c)技术表明。 在红细胞发育早期,珠蛋白LCR染色质的一级结构 和二级结构比发育晚期的染色质结构更加疏松,而 三级结构更加紧密,由此说明在胚胎发育早期基因 转录受染色质三级结构变化的影响比发育晚期小[421。 以上结论表明,染色质空间构象在基因表达过程中 发挥着重要作用,且不同发育时期的染色质构象会 发生变化以适应不同基因的表达状态。 CTCF与黏连蛋白的结合位点通过染色质成环 机制基因的表达。利用3C技术研究CTCF (CCCTC.binding factor)/黏连蛋白(Cohesin)位点相互 作用频率的实验表明,尽管CTCF在K562和293T 细胞中占据相同的位点,但K562细胞中这些位点 间长距离相互作用的频率明显高于293T细胞,这就 表明CTCF与黏连蛋白位点的长距离相互作用具有 高度的细胞特异性[431。 在包皮细胞HOXA基因组区域染色质结构的研 究中,利用染色质构象捕获技术检测到大量的染色 质相互作用,主要集中在上游具有转录活性的HOXA 基因家族成员之间,该处染色质呈一种环状构象I2 。 在下游失活的HOXA基因之间则未检测到相互作用, 其染色质几乎呈线性构象。同样的方法研究肺细胞 发现,染色质的环状构象主要在下游活化的HOXA 基因之问形成,上游处于沉默状态的HOXA基因簇 染色质呈线性[2钔。通过该研究可以得出,染色质环 状构象的形成与基因活化有一定的相关性。 4结语 在组蛋白翻译后修饰、核小体定位、染色质开 放以及染色体领域等表观遗传学因素的综合作用之 下,染色质的三维空间结构的动态变化与平衡在调 控真核基因表达的过程中发挥了至关重要的作用。 这一作用非常复杂,目前尚无法阐明其精细的分子 机制,因此需要开展进一步的探索性研究。随着相 关研究技术的不断发展、以及全基因组表观遗传学 数据的逐渐丰富与深入挖掘,染色质结构变化与真 核基因表达之间的内在联系及其确切机制必将会被 全面揭示,同时也将会进一步促进真核基因转录调 控的基础理论与应用研究。 参考文献(References) [1]S trahl BD,Allis CD.The language of covalent histone modiifcations.Nature,2000,403(6765):41—45. [2】Claussen U.Chromosomics.Cytogenet Genome Res,2005, 1 1 1(2):101-106. 【3】Higgs DR,Vernimmen D,Hughes J,Gibbons R.Using genomics to study how chromatin influences gene expression. Annu Rev Genomics Hum Genet,2007,8:299—325. [4】Li QL,Peterson KR,Fang XD,Stamatoyannopoulos G Locus control regions.Bloo 2002,100(9):3077—3086. [5】Cockerill PN.Structure and function of active chromatin and DNase I hypersensitive sites.FEBS 201 1,278(13): 2182-2210. [6]Wang L,Di LJ,Lv X,Zheng Xue Z,Guo zC,Liu DP, Liang CC.Inter-mar association contributes to transcrip— tionally active looping events in human 8一globin gene cluster.PLoS One,2009,4(2):e4629. [7】Liu Jw,Tabe LM.The influences of two plant nuclear matrix attachment regions(mars)on gene expression in transgenic plants.Plant Cell Physiol,1 998,39(1):1 1 5— 123 [8]Arya G Maitra A,Grigoryev SA.A sturctural perspective on the where,how,Why,and what of nucleosome 1298 遗 HEREDITAS(Beijing)201 1 第33卷 positioning.J Biomol Struct Oyn,20 1 0,27(6):803—820. [9】Jiang CZ,Pugh BF.Nucleosome positioning and gene regulation:Advances through genomics.Nat Rev Genet, 2009,10(3):161—172. 【1 0]Lomvardas S,Thanos D.Modifying gene expression programs by altering core promoter chromatin architecture. Cell,2002,11O(2):261—271. [11]Zhao XY’Pendergrast PS,Hernandez N.A positioned nucleosome on the human U6 promoter allows recruitment of SNAPc by the Oct一1 POU domain.Mol Cell,200 1,7(3): 539-549. [1 2】Boyes J,Omichinski J,Clark D,Pikaart M,Felsenfeld G Perturbation of nucleosome sturcture by the erythroid transcription factor GATA一1.J Mol Biol,l998,279(3): 529-544. [13]Ng Kw,Ridgway P,Cohen DR,Tremethick DJ.The binding of a fos/jun heterodimer can completely disurpt the structure of a nucleosome.EMB0 1997,l6(8): 2072-2085. [14]Li B,Carey M,Workman儿.The role of chromatin during transcription,Cell,2007,128(4):707—719. [15]Barth TK,Imhof A.Fast signals and slow marks:The dynamics of histone modifications.Trends Biochem Sci, 2010,35(11):618-626. [16]Guenther MG,Levine SS,Boyer LA,Jaenisch R,Young RA.A chromatin landmark and transcription initiation at most promoters in human cells.Cell,2007,13O(1):77—88. 【1 7】Kouzarides T.Chromatin modifications and their function. Cell,2007,128(4):693—705. [1 8】Bannister AJ,Kouzarides T.Regulation of chromatin by histone modiifcations.Ce,,Res,2011,21(3):381—395. [1 9】Kiefer CM,Hou C,Little JA,Dean A.Epigenetics of beta-globin gene regulation.Mutat Res,2008,647(1—2): 68-76. 【20】Choy JS,wei SJ,Lee JY,Tan S,Chu S,Lee TH.DNA methylation increases nucleosome compaction and rigidity. JAm Chem Soc,2010,132(6):1782—1783. [2 l】Orom UA,Derrien L Beringer M,Gumireddy K,Gardini A,Bussotti G,Lai F,Zytnicki M,Notredame C,Huang QH, Guigo R,Shiekhattar R.Long noncoding rnas with enhancer—like function in human cells.Cell,2010,143(1): 46-58. [22]Qureshi IA,Mehler MF.Non—coding rna networks underlying cognitive disorders across the lifespan.Trends MolMea,2011,17(6):337_346. [23】Khalil AM,Guttman M,Huarte M,Garber M,Raj A, Morales DR,Thomas K,Presser A,Bernstein BE,van Oudenaarden A,Regev A,Lander ES,Rinn J LJ Many human large intergenic noncoding rnas associate with chromatin—modifying complexes and affect gene expression. Proc Natl Acad Scf USA,2009.106(28):l1667-1 1672. [24】Wang KC,Yang YW Liu B,Sanyal A,Corces—Zimmerman R,Chen Y,Lajoie BR,Protacio A,Flynn RA,Gupta RA, Wysocka J,Lei M,Dekker J,Helms JA,Chang HY.A long noncoding rna maintains active chromatin to coordinate homeotic gene expression.Nature,2011,472(7341): l20-124. [25]Tsai MC,Manor O,wan Mosammaparast N,Wang JK, Lan F,Shi Y’Segal E,Chang HY.Long noncoding rna as modular seaffold of histone modiifcation complexes. Science,2010,329(5992):689-693. [26]Kohler C,Aichinger E.Antagonizing polycomb group— mediated gene repression by chromatin remodelers. Epigenetics,2010,5(1):2O_23. 【27】Dean A.In the loop:Long rnage chromatin interactions and gene regulation.BriefFunct Genomics,2011,10(1):3-10. [28]Tolhuis B,Blom M,Kerkhoven RM,Pagie L,Teunissen H, Nieuwland M Simonis M,de Laat van Lohuizen M van Steensel B.Interactions among polycomb domains are guided by chromosome architecture.PLoS Genet,20 l1, 7(3):e1001343. 【29]Hatta M,Cirillo LA.Chromatin opening and stable perturbation of core histone:DNA contacts by foxo1.J Biol Chem,2007,282(49):35583—35593. [3O]Li QL,Barkess G,Qian H.Chromatin looping and the probability of transcription.Trends Genet,2006,22(4): 1 97-202. [3 1】Duan ZJ,Andronescu M,Schutz K,Mcllwain S,Kim YJ, Lee C,Shendure J,Fields S,Blau CA,Noble WS.A three—dimensional model of the yeast genome.Nature, 2010,465(7296):363—367. [32】Fraser P,Bickmore W.Nuclear organization of the genome and the potential for gene regulation.Nature,2007, 447(7143):413—417. [33】G6nd6r A,Ohlsson R.Chromosome crosstalk in three dimensions.Nature,2009,461(7261):212—217. [34】Cremer T,Cremer C.Chromosome territories,nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells.Nat Rev Genet,2001,2(4):292—301. [35】Lee HY9 Johnson KD,Boyer ME,Bresnick EH.Relocalizing genetic loci into specific subnuclear neighborhoods.J Biol Chem,20l1,286(21):l8834-18844. 【36]Schoen ̄lder S,Sexton Tj Chakalova L,Cope NF,Horton A,Andrews S,Kurukuti S,Mitchell JA,Umlauf D, Dimitrova DS,Eskiw CH,Luo YQ,Wei CL,Ruan YJ, Bieker JJ.Fraser P Preferential associations between co—regulated genes reveal a transcriptional interactome in erythroid cells.Nat Genet,2010,42(1):53—61. [37]Mateos—Langerak J,Bohn M,de Leeuw w,Giromus O, Manders EMM,Verschure PJ.Indemans MHG Gierman 第12期 亓合媛等:染色质构象真核基因的表达 1299 HJ,Heen'nann DW,van Driel R,Goetze S.Spatially Taking a position on gene expression.Curr Opin Cell Biol, confined folding of chromatin in the interphase nucleus. 201 1,23(3):354—359. Proc NatlAcadSci USA,2009,106(1 o):3812—3817. [3 8]Grosberg A,Rabin Havlin S,Neer A.Crumpled globule modeI of the three—dimensional structure of DNA. [4 1]Fang XD,Xiang P,Yin WX,Stamatoyannopoulos G’Li QL.Cooperativeness of the higher chromatin structure of the 3-globin locus revealed by the deletion mutations of DNase I hypersensitive site 3 of the LCR.J Mol Biol, Europhys Lett,1993,23(5):373—378. [39]Lieberman・Aiden E,van Berkum NL,Williams L,Imakaev 2007,365(1):31-37. [42]Fang XD,Yin WX,Xiang P,Han HM,Stamatoyannopoulos G Li QL.The higher structure of chromatin in the lcr of the 13-globin locus changes during development.J Mol M,Ragoczy T,Telling A,Amit I,Lajoie BR,Sabo PJ, Dorschner M0,Sandstrom R,Bernstein B,Bender MA, Groudine M,Gnirke A,Stamatoyannopoulos J,Mirny LA, Lander ES,Dekker J.Comprehensive mapping of long—range interactions reveals folding principles of the Biol,2009,394(2):197—208. 【43】Hou CH,Dale R,Dean A.Cell type speciifcity of chromatin organization mediated by ctcf and cohesin.Proc human genome.Science,2009,326(5950):289—293. [40]Geyer PK,Vitalini Mw,Wallrath LL.Nuclear organization: NatlAcadSci USA.2010.107(8):3651-3656. ・综合信息・ 中科院遗传发育所和中国遗传学会联合召开2011年期刊工作会议 为了全面总结2011年期刊工作进展,深入分析办刊工作中遇到的问题,进一步提高刊物质量和影响力,中国科学 院遗传发育所和中国遗传学会于2011年12月3日在北京联合召开了2011年期刊工作会议。来自中国科学院规划战略 局、中国科学院出版委、国家自然科学基金委员会计划局的领导,中国科学院遗传发育所和中国遗传学会的领导,在京 的《遗传学报》(JGG)与《遗传》主编、副主编、编委,科学出版社期刊中心以及兄弟刊物的领导和编辑人员等近40 人参加了会议。会议由中国科学院遗传发育所副所长、《遗传》执行主编张永清研究员主持。 首先,编辑室主任李绍武编审作了“2011年《遗传》工作总结与未来展望”的报告,全面总结了《遗传》杂志2011 年的办刊工作,并提出了未来的工作计划和发展策略。2010年度,《遗传》影响因子上升至0.890,在生物学类核心期刊 中的排名由2009年度的第13位提升至第9位,总被引频次由1667提高到1765,学科排名由第l2位上升到第1O位,并 被评为“201 1年度中国精品科技期刊”。与会领导和专家充分肯定了《遗传》杂志所取得的成绩,提出在保证期刊学术 水平的同时,还应肩负起培养青年遗传学家、普及遗传学知识、服务社会、服务读者的责任。大家还就栏目设置、文章 选题、出版周期等方面提出了宝贵的意见和建议。 随后,张颖编审作了“201 1年JGG工作汇报”,就刊物基本情况、201 1年开展的工作、取得的进步和未来发展等 方面进行了介绍。最近几年,JGG的编辑队伍建设成效显著,目前编辑部已拥有3名博士、1名硕士,1人获得中国科学 院期刊出版领域引进优秀人才择优支持,稿源国际化水平及稿件质量明显提高,出版周期逐年缩短,国际影响力快速 增长,2010年度JCR影响因子已上升到1.494。与会领导和专家围绕JGG的发展目标、专刊组织、国际影响力等方面展 开了热烈讨论。2012年,JGG将就遗传学与基因组学的热点问题组织一系列高水平的文章,着重从学术质量这个核心竞 争力人手,朝着具有较高国际影响力的国际知名专业期刊迈进。 中国科学院规划战略局、院出版委和国家自然科学基金委计划局的领导在讲话中传达了中国党十七届六中全 会精神,要深化文化改革,推动社会主义文化大发展大繁荣,介绍了当前国家在科技期刊出版方面的,感谢遗 传发育所领导班子对办刊工作的重视与支持,充分肯定了《遗传学报》和《遗传》所取得的成绩,同时对两刊的进一步 发展提出了殷切期望。 最后,中国科学院遗传发育所所长、中国遗传学会副理事长兼秘书长、《遗传学报》和《遗传》编委会主编薛勇 彪研究员做了会议总结:两刊定位不同,发展策略各有侧重。《遗传》杂志作为传播遗传学知识的渠道和平台,要力争 做到栏目多样、知识丰富、读者面广,面向国家战略需求和公众科技信息需求,传播与普及遗传学知识,打造精品科技 期刊;JGG要狠抓文章学术质量,能够反映出遗传学研究的国际水平与地位,打造具有国际影响力的高水平专业期刊。 办刊工作要遵循职业化、程序化、公益化的原则,实现编辑队伍的职业化与专业化,使期刊更好地为社会服务,为专家 学者和广大读者服务,追求良好的社会效益。 《遗传学报》和《遗传》编辑部全体同志参加了会议,认真听取大家的发言,进一步明确了下一步的工作重点,力 争2012年的期刊工作有一个良好的开局。 

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