分子遗传学7精要

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1、Chapter 7 Genome expression 1. 细胞核内部 2. 染色质修饰和基因组表达 3. DNA修饰和基因组表达 内 容 1. 细胞核内部 早期认为，核内结构相对均一，即典型的通常论。 实际上，细胞核内与细胞质同样复杂，有着高度有 序的内部结构。 唯一的不同的是，核内不同的区域不存在明显的膜 结构分隔，因此用传统的光镜和电镜技术无法观察 到细胞核内的各种功能性分区。 1.1 真核生物细胞核的内部结构 A. 核内部有着高度有序的内部结构 细胞经处理后，通过透视电镜观察： 真核生物核内部结构（人hela细胞的核基质） 胞质纤维 核与胞质界限 核内的纤维化网络 核基质：蛋白质和R

2、NA纤维组成的复杂网络结构。 带有荧光标记蛋白的活细胞核图像 核仁 与RNA剪切相关 的蛋白质的位置 早期认为，在真核细胞核内的染色体是随机分布的。 现在我们知道，这种观点是不对的，在细胞核内每一 条染色体都占有自己的空间或地域。 这些分布可以用染色体涂染技术观察到。 1.1 真核生物细胞核的内部结构 B. 在核内每条染色体都有自己的地域 通过染色体涂染观察到的染色体地域 用代表单个染色体不同 区域的混合DNA作为探 针，进行荧光原位杂交 ，可以显示出每一条染 色体所占据的区域。 这些区域占了核内空间 的绝大部分，但是被非 染色质区域分开。 非染色质区域包括了与 基因组表达有关的酶以 及其它各

3、种蛋白质。 染色体地域在每个单独细胞核内是相对固定的。 但许多研究表明，在细胞分裂之后其相对位置是有变 化的，在子代细胞核内表现出不同的分布。 在区域定位上可能还是有些限制的，因为在发生染色 体易位时，某些染色体对间的易位要比其它染色体对 间更为常见。研究表明，这些染色体对所在的地域通 常比较接近。 1.1 真核生物细胞核的内部结构 B. 在核内每条染色体都有自己的地域 人的9号和22号染色 体间的易位产物 易位后产生费城染 色体，可以导致慢 性髓性白血病。 另一个富有争议的话题是活性基 因在每个染色体地域内的定位。 早期认为，活性基因一般位于各 个地域的表面，便于接近非染色 质区域，这样就可

4、以接近参与基 因转录的酶和蛋白质。 现在研究结果表明活性基因既在 各个地域的表面，又在其内部。 更细致的显微观察发现在染色体 各地域之间有隧道贯穿，从而连 接了非染色质区域的不同部分。 染色体地域 原始模型改进模型 1. 细胞核内部 染色质是基因组DNA和染色体蛋白形成的复合体。 染色质的结构是多层次的，存在着以核小体和30nm 染色质纤维为主的两种最低包装形式，有丝分裂中 期的染色体是最高的压缩形式。 通过光学显微镜观察非分裂状态的细胞核时，只能 看到核内是由着色深浅不同区域的混合体组成的。 1.2 染色质区域 1. 细胞核内部 深色区域称为异染色质，即结构相对致密，包含无活 性基因的染色质

5、。异染色质可以分为两类： (1)组成型异染色质：在所有细胞中永久存在，DNA 中基因含量很少，它包括着丝粒和端粒DNA以及某 些染色体的部分特定区域。 (2)兼性异染色质：无持久性特征，仅在部分细胞的 部分时间出现，DNA中含有基因，这些基因在某些 细胞中或细胞周期的某些阶段失活。当基因失活时， DNA就压缩成异染色质状态。 1.2 染色质区域 1. 细胞核内部 一般认为异染色质的结构是高度致密的，参与基因表达 的蛋白质不能接近DNA。 含有活性基因的染色体DNA区域则相对较疏松，可允许 参与表达的蛋白质进入，这些区域叫着常染色质，它们 在整个细胞核中分散存在。 常染色质中，DNA主要以30n

6、m染色质纤维的形式存在， 长度介于40-100kb。 在此基础上，DNA形成环状，通过富含AT的DNA片段即 基质结合区域（MAR）或称为支架附着区域（SAR）与 核基质相连。 1.2 染色质区域 DNA在细胞核中组织的一种方案 核基质 基质结合区域 支架附着区域 1. 细胞核内部 连接在核基质结合位点间的DNA环称为结构域。 表达的基因周围的DNA区域称为功能域。 功能域的DNA结构较开放，不致密。 脱氧核糖核酸酶I（DnaseI）是一种DNA结合蛋白， 不能接近DNA致密区。用DnaseI处理一段纯化的染色 质，可以界定功能域的范围。 1.2 染色质区域 在DnaseI敏感区域中的一个功能

7、域 当一个新基因插入真核生物染色体中时，如果基因插 入高度包装的染色体区域，基因将失活；当插入开放 的染色体区域，基因将表达，这就是位置效应。 2. 染色质修饰和基因组表达 (1)染色体的某一个区段所表现出的染色质包装程度 决定了位于该区段内的基因是否表达； (2)当一个基因位于开放区域内，可被其它蛋白质接 近时，其转录则受位于转录起始复合物装配区域的核 小体的精确性质和定位的影响。 染色质结构影响基因表达的两条途径： 染色质结构 影响基因表 达的两种方 式： 高度包装的染色质 核小体有规则的间隔 核小体重新定位 便于DNA结合 蛋白的结合 2. 染色质修饰和基因组表达 真核生物基因组的活性主

8、要取决于核小体，不仅因为 核小体定位在DNA链上，还因为核小体内组蛋白的 精确化学结构是决定一段染色质包装程度的主要决定 因素。 2.1 组蛋白的化学修饰 A. 组蛋白乙酰化影响基因组表达 组蛋白乙酰化：每个核心组蛋白N端的赖氨酸连上乙 酰基。 四个核心组蛋白N端的赖氨酸结合乙酰基 2.1 组蛋白的化学修饰 A. 组蛋白乙酰化影响基因组表达 经过修饰的N端从核小体核心八聚体中伸出，形成突 出的尾巴。 它们的乙酰化使组蛋白对DNA的亲和力降低，同时使 30nm染色质纤维结构变得不稳定，降低了核小体间 的相互作用，使DNA的结构变得不致密，有利于基因 的表达。 因此，异染色质中的组蛋白一般不被乙酰

9、化，而功能 域中的组蛋白常被乙酰化。 核小体核心八聚体的两种观察结果 从顶部看 从侧面看 H2A H2B H3 H4 N端尾部 2.1 组蛋白的化学修饰 A. 组蛋白乙酰化影响基因组表达 组蛋白乙酰化是在组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase, HAT）的作用下进行的。 单独的HAT可以在试管中乙酰化组蛋白，但在完整的 核小体中却不具备活性，这表明在核中HAT几乎不能 独立工作，而是形成多蛋白质复合物。如酵母的 SAGA和ADA复合物，人类的TFTC复合物。 这些复合物中包含很多蛋白质，它们在基因表达起始 过程中发挥各自的作用，组蛋白乙酰化是一个完整的 部分，却也

10、只是基因活化这一整个过程的一部分。 2.1 组蛋白的化学修饰 A. 组蛋白乙酰化影响基因组表达 HAT蛋白至少有5个不同的家族，它们都和基因转录 活化有关，同时还参与损伤DNA的修复，特别是紫外 照射引起的双链缺损的修复。 不同的复合物乙酰化不同组蛋白，一些复合体还可以 乙酰化与基因表达相关的其它蛋白质，如一些通用转 录因子TFIIE和TFIIF。 总之，HAT蛋白功能多样，参与了基因组的表达、复 制和维持。 2.1 组蛋白的化学修饰 B. 组蛋白去乙酰化抑制基因组的活性区域 基因活性应该是可逆的，否则被活化的基因将始终保 持激活状态。 因此，存在一套能去除组蛋白末端的乙酰基团的酶， 即组蛋白

11、去乙酰化酶（histone deacetylase, HDAC）。 HDAC活性与基因沉默间的联系建立于1996年。 像HAT蛋白一样，HDAC也被包含在多蛋白质复合体 中。如哺乳动物的Sin3和NuRD复合体。复合体中包含 HDAC1和HDAC2以及其它无去乙酰化活性，但对此 过程提供必要辅助功能的蛋白质。 2.1 组蛋白的化学修饰 C. 乙酰化不是唯一的组蛋白修饰类型 赖氨酸的乙酰化和去乙酰化是研究最为深入的组蛋白 修饰形式，但不是唯一的类型。还有三类其它修饰： (1)组蛋白H3、H4的N端赖氨酸和精氨酸残基的甲基化 。尽管存在去甲基化酶，但是甲基化修饰还是相对长 期的。 (2)H2A、H

12、2B、H3、H4的N端丝氨酸的磷酸化。 (3)H2A、H2B的C端赖氨酸的泛素化，即将泛素 (ubiquitin)加到赖氨酸上，诱导其被26S蛋白酶体降解。 2.1 组蛋白的化学修饰 C. 乙酰化不是唯一的组蛋白修饰类型 像乙酰化一样，这些修饰方式也可以影响染色质结构 并对细胞活性具有重要影响，比如： 组蛋白H1、H3的磷酸化与中期染色体的形成有关； H2B的泛素化是泛素调控细胞周期功能的体现； H3的N端的第4和第9位赖氨酸残基的甲基化效应尤其 有趣：第9位赖氨酸的甲基化可引发染色质包装并使 基因表达沉默；但在第4位赖氨酸上加上2个或3个甲 基之后，却可促进形成开放的染色质结构，促进基因 活

13、化。 2.1 组蛋白的化学修饰 C. 乙酰化不是唯一的组蛋白修饰类型 总的来说，4个核心组蛋白N端和C端共有29个位点 可以被共价修饰。 随着研究的深入，提示我们可能存在一个组蛋白密 码（histone code）：即根据组蛋白被化学修饰的形 式可以确定特定的基因组区域在特定时间的表达方 式，还可以确定基因组生物学的其它方面，如损伤 位点的修复，基因组的复制和细胞周期的协调等。 哺乳动物组蛋白H3、H4的N端的修饰 19 Ac：乙酰化；Me：甲基化；P：磷酸化 2. 染色质修饰和基因组表达 第二种影响基因组表达的染色体修饰类型是核小体 重塑，即基因组的一个较短区域中核小体的修饰和 重新定位，以

14、便于DNA结合蛋白能够接近它们的结 合位点。 当然这并不是对所有基因的转录都是必需的，在少 数情况下，某些蛋白质启动基因表达是通过结合到 核小体表面实现的，并没有影响核小体的定位。 在某些情况下，核小体重新定位被明确地证明是基 因激活的前提。 2.2 核小体重塑影响基因组表达 hsp70基因的激活伴随着DNA酶I高敏位点的形成 在黑腹果蝇中，在热刺 激情况下，GAGA蛋白 激活hsp70的转录。 说明该区域内的核小体 被移除了，有一段裸露 的DNA暴露出来。 核小体重塑不像乙酰化等化学修饰，它不涉及组蛋白 分子的共价修饰。 核小体重塑由能量依赖的过程引发，以减弱核小体和 与其结合的DNA间的联

15、系。此过程主要有3种改变： (1)重塑：严格意义上讲，重塑只涉及核小体结构的改 变，比如核小体的体积变大，但并不改变位置。 (2)滑动：或顺式取代，即核小体沿DNA作物理移动。 (3)转移：或反式取代，即核小体转移到第二个DNA分 子上或相同分子的非相邻区域。 2.2 核小体重塑影响基因组表达 重塑滑动转移 核小体的重塑、滑动及转移 负责核小体重塑的蛋白质与HAT一起形成一个大的复合体共同发挥 作用，这提示核小体重塑可能和组蛋白乙酰化相偶联。这是一个诱 人的假说，因为它将基因组活化中的两个核心反应联系了起来。 3. DNA修饰和基因组表达 DNA甲基化：在 真核生物中， DNA中的胞嘧啶 有时可由DNA甲 基转移酶加入一 个甲基而转变成5- 甲基胞嘧啶。 3.1 DNA甲基化引发的基因组沉默 1 2 3 4 5 6 DNA甲基化在低等真核生物中较少见，但在脊椎动 物基因组中，高达10%的胞嘧啶都被甲基化，且仅 限于5-CG-3序列中的胞嘧啶；在植物中可高达 30%，限于5-CNG-3序列中的胞嘧啶。 在细菌中，DNA甲基化可以避免被自身限制性内切 核酸酶降解，并使这些内切核酸酶作用于入侵的噬 菌体DNA。 3.1 DNA甲基化引发的基因组沉默 3. DNA修饰和基因组表达 目前已知存在两种类型的甲基化 活性： (1)维持性甲基化：在基因复制之 后，负责向新