染色质结构与基因表达调控

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1、真核细胞中 DNA 与蛋白质结合形成染色质和染色体是生物进化的必然结果1。核小体 (Nucleosome) 是染色质的基本结构单位，其为长度约 160bp 的 DNA 绕由 H2A, H2B, H3 和 H4 各两分子形成的八聚 体约两圈的粒状结构，其中H3和H4各两分子形成的四聚体位于八聚体的中间，其两端均与H2A和H2B各一分子形成的二聚体 结合。第五种组蛋白H1或称H5与连接两核小体之间的DNA结合，并与相邻两核小体首尾相联，以稳定核心组蛋白与 DNA双链的结合。 Crane 等(1997) 对 H1 与核小体的结合位置提出新的看法 2, 认为染色质的高级结构是以核小体为基本结构单位的

2、一级结构经过进一步的盘绕、 折叠而形成。由于染色质是真核细胞遗传信息的载体 , 真核基因的表达调控一定与染色质密切相关。 研究染色质的结构及其在基因表达调控中的作用 , 对于揭示真核生物基因表达调控的机理有重要意义。1 转录区染色质对 DNaseI 的敏感性增加真核生物的染色质结构在不同物种间无显著差异 , 核小体的体积也基本恒定 , 但核小体间连接 DNA 的长度是可变的 , 它在 不同的物种中，以及不同的组织，有时不同的发育阶段均有可能不同。例如，菜豆(Phaseolus vulgaris)的子叶和叶片组织中，染色质核小体的重复长度有差异 , 叶片中为 191bp, 而子叶中缩短到 177

3、bp, 但没有发现这种差异与基因的特异表达有关 3。 Murray和kennard的进一步研究却发现，菜豆子叶特异表达的基因-菜豆蛋白基因(phaseolin)的染色质区对DNase I的敏感性比 叶片中强，说明染色质对DNase I敏感与基因的转录有关。在豌豆 (Pisum sativum)中，Steinmuller等(1986)4研究了另一储 藏蛋白-豆球蛋白(Legumin)基因的染色质在子叶和叶片中变化。在子叶中靠近豆球蛋白基因3端的染色质对DNase I的敏感度比叶片中高 5倍。大麦(Hordeum vulgare)中，大麦醇溶蛋白(Hordein)基因，捕光叶绿素a/b蛋白(lig

4、ht harvesting chlorophyll a/b protein, LHCP)基因和1516 kD多肽基因的染色质对 DNase I的敏感度也随着这些基因的表达而显著的增加4。在动物组织细胞中的研究同样显示，基因的转录伴随着其染色质对 DNase I的敏感性显著增加。母鸡中，球蛋白基因在网织 红细胞中表达，而卵清蛋白基因则于输卵管中有转录；研究发现，网织红细胞中编码球蛋白mRNA的染色质DNA更易被DNaseI降解，输卵管细胞中卵清蛋白基因区域的染色质比球蛋白基因区对DNase I更敏感5, 6。关于染色质对DNase I敏感与该区基因被转录的关系，研究者认为，基因的转录造成染色质易

5、被 DNase I消化，而非前者是 后者的原因。2染色质中DNase I超敏感点与基因的表达调控有关与由于基因的转录而使转录区染色质对DNaseI的敏感性增加不同，染色质中还存在一些短的区段,一般为50200bp之间，对DNase I消化更敏感，称DNase I超敏感点(DNase I Hypersensivity sites DH sites), 为无核小体区7。直接的证据来 自 Choder 等的实验结果 ， 他们用电镜观察 SV40 微小染色体时发现其中存在无核小体区段 ， 该区段与限制内切酶分析定位的超 敏感点在同一位置。经过对很多基因染色质的研究，发现超敏感点是广泛存在的，一般位于基

6、因的5端启动子之内或启动子的周围。玉米中有两个基因位点(Adh1和Adh2)编码乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase),它们均受厌氧协迫而表达。Paul等(1987)8发现，Adh1的5端区域存在两种类型的 DNase I超敏感点，即组成型和诱导型。前者位于基因更上游位置，大约为-160 170之间，经厌氧诱导后，出现两个新的DNase I超敏感点，主要者中心位于-40,次要者中心位于-140,两者之间为厌氧反应域 (an aerobic respo nse regio ns),其中至少有两个顺序，-30位的TATAA和-90位的CAAT,被认为对基因的调控非常重要。厌氧环境

7、除了诱导产生两个超敏感点以外，还使组成型DNase I超敏感点区域的范围扩大。玉米 Adh2 基因 5端存在三个超敏感点均为组成型的， 它们的中心位置分别为 -55， -305， 和-455， 当该基因受诱导而表达时，超敏感点的敏感度增加，并且靠近TATAA序列的超敏感点(即-55位)向3端方向延伸,使TATAA框暴露。存在于基因调控区(包括启动子和增强子)的DNase I超敏感点(组成型或经诱导产生)对基因的表达是必要的。在人类B球蛋 白基因的5端的上游，大约1020kb位置，存在着位点控制区(Local control regions, LCRs)或称位点激活区 (Local activa

8、ting regio ns, LARS),它可以使其下游的基因的表达不受其所在染色体位置的影响。LCRs中存在4个超敏感点，如果LCRs与人类B球蛋白基因 (包括启动子和其他一些顺式调控元件)一起转化小鼠 ， 则球蛋白 mRNA 在转化小鼠的合成量与整合的基因的拷贝数成正相关，与其整合的位置无关。但如果其中LCRs的两个超敏感点(即5-SH和HS-3)没有被整合，则球蛋白的表达量很少，LCRs 失去了其原有的功能 9。3 染色质无核小体区形成的机理在染色质的DNase I超敏感点内没有完整的核小体结构形成。体外实验表明，虽然基因编码区的核小体对基因的转录影响较小, 但核心启动子区形成核小体后

9、, 转录将无法起始 10。基因的转录要求其核心启动子区和上游调控原件(Core promoterand upstream regulatory elements) 为无核小体区或该区核小体被去除 (Displacement) 。研究基因自然状态下及基因转录状态下 染色质的结构 , 发现真核细胞无核小体区的形成至少采取两种策略 : 核小体的持久型去除 (Persistant displacement) 和诱导去除 (Induced displacement) 11 。持久型去除主要指在启动子元件 (Promoter element) 区自然状态下不形成核小体 , 它们主要存在于组成型转录的启动子

10、中 , 某些诱导表达的基因在被诱导转录前其启动子中也发现这种类型的无核小体区。持久型无核小体区的形成可能涉及组成型因子的作用。在 DNA 复制过程中 , 核小体未装配之前可以出现短暂的无核小体染 色质区 , 有些组成型因子优先与该区 DNA 结合, 并阻碍随后该区核小体的形成。在果蝇热休克基因中 , 通用转录因子 (General factors)和GAGA因子(CT因子)很可能参与了核心启动子区(即TATA盒和转录起始点)持久型无核小体区的形成，并使上游调控元 件维持对热击因子的易接近性12。SP1因子也可能参与持久型无核小体区的形成。很多管家基因(Housekeeping genes)均含

11、有多个 SP1 结合位点。 SP1 与这些位点结合后 , 阻碍了组蛋白 H1 的结合。 在酵母 (S. cerevisiae) 中，有一类组成型表达的蛋白 质, 称为通用调节因子 (General regulatory factors, GRFs), 它们在酵母细胞中的含量特别丰富 , 每一种均与特定序列的 DNA 结 合，并使该区为无核小体区。当 GRF结合点突变后，研究发现 GRF与其结合点的结合为该无核小体区的形成所必需，并对相邻区域核小体的形成产生重要影响。在his4基因的HSE区有RAP1(GRF中的一种)的结合位点，RAP1与其结合位点结合后产生无核小体区，该无核小体区为诱导因子

12、GCN4和BAS1与BAS2等基本因子(basal facto在该区起作用时所必需13。诱导去除是指基因在表达前其上游因子结合位点(Upstream factors-binding sites)以及核心启动子区均形成核小体，经诱导后， 调节因子直接或间接地引起核小体的去除。pho5 基因在酵母中编码酸性磷酸酶 ， 当酵母生长的培养基中磷酸缺乏时 ， 该基因被诱导而表达。 pho5 启动子区在抑制状态 下形成6个核小体，在倒数第二个核小体上(从转录起始点算起)有PHO4和PHO2两个反式作用蛋白的结合位点，第一个结合位 点位于TATA框在倒数第一个核小体上,PHO4的另一结合点位于倒数第二和第三

13、个核小体间的连接DNA上14。突变分析发现，PHO4和PHO2两蛋白为产生具有转录活性的染色质和pho5基因表达所必需，在磷酸缺乏时，PHO4蛋白先与连接DNA的靶位点结合,在PHO2的协同作用下，引起第二位核小体的解体，暴露PHO4的第二个结合点。Svaren(1997)等15的研究还表 明，PHO4与其结合位点结合后，其他蛋白复合体又与 PHO4蛋白结合，使该区的染色质的结构改变。后结合上的蛋白复合体具 有 ATP 酶的活性 ， 说明染色质结构的改变是一个耗能的过程。 PHO4 的功能同时还受 pho80 和 pho85 两个基因产物的调控 ， PHO80和PHO85两蛋白组成激酶复合体,

14、对PHO4蛋白进行磷酸化使其激活功能被抑制16。PHO5的表达需要倒数前四个 核小体的解体。现在还不知道其他三个核小体被替代的具体方式 ， 但能量平衡是一个重要原因 ， 第二个核小体上 DNA 序列的变 化， 将使启动子的诱导和核小体解体更容易。与pho5基因相似，鼠乳腺瘤病毒(mouse mammary tumor virus MMTV)长末端重复(Iong terminal repeat LTR) 顺序的启动子受糖皮质激素受体 (glucocorticoid receptor GR) 的调控。该启动子也形成 6 个位置恒定的核小体，在倒数第二个核小体表面有 四个糖皮质激素受体的识别位点，分

15、别位于-175,-119,-98和-83,其中-175和-83两结合位点DNA的主沟面对溶液，可以与GR 结合，这两个位点相距92bp。由于核小体的形成，这两个位点正好位于同一核小体的同一侧，有利于GR的结合和后来的激活过程。另两位点其主沟面对组蛋白，因受空间的阻碍与GR没有结合能力17。在被诱导条件下，GR以二聚体形式与核小体上的识别位点结合，但似乎并没有使其结合区核心组蛋白被去除，而是形成了 GR-核小体复合体。体内研究表明，具有转录活性的启动子几乎无例外的为 DNaseI 超敏感区 ， 指示它们缺乏正常的核小体结构。 GR 结合后可能促进其他蛋白复合体 (其中包括 SWI1、2、3 蛋白

16、在哺乳动物中的类似物 )与核心组蛋白作用 ， 引起核小体的解体 18。 SWI1、2、3 是酵母基因编码的蛋白质 ， 为GAL1和GAL10等基因的转录以及酵母 GAL4蛋白起作用时所必需，它们可能与另两种蛋白 SNF5和SNF6形成多亚基复合体, 辅佐基因专一性蛋白起作用19。由GR诱导的转录是短暂的，几个小时以后，基本转录复合体,NF1, GR和八聚体因子又被核 心组蛋白替代 ， 它们的结合位点又形成核小体 ， 启动子转录功能被抑制。转录因子被替代的机理还不清楚 ，组蛋白和转录因子与 启动子区的结合很可能是一个动态过程。Wong等20对甲状腺激素 B受体的突变研究发现，该激素受体与甲状腺结合后，可以引起其靶位点染色质的解体和调控基因转录起始 ， 但这两个过程分别与激