(二)真核基因的转录与染色质的结构变化相关《生物化学与分子生物学》

(二)真核基因的转录与染色质的结构变化相关

真核基因组DNA绝大部分都在细胞核内与组蛋白等结合成染色质,染色质的结构、染色质中NA和组蛋白的结构状态都影响转录,至少有以下现象:

1.染色质结构影响基因转录 细胞分裂时染色体的大部分到间期时松开分散在核内,称为常染色质(euchromatin),松散的染色质中的基因可以转录。染色体中的某些区段到分裂期后不像其他部分解旋松开,仍保持紧凑折叠的结构,在间期核中可以看到其浓集的斑块,称为异染色质(heterochromatin),其中从未见有基因转录表达;原本在常染色质中表达的基因如移到异染色质内也会停止表达;哺乳类雌体细胞2条X染色体,到间期一条变成异染色质者,这条X染色体上的基因就全部失活。可见紧密的染色质结构阻止基因表达。

2.组蛋白的作用 早期体外实验观察到组蛋白与DNA结合阻止DNA上基因的转录,去除组蛋基因又能够转录。组蛋白是碱性蛋白质,带正电荷,可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合,从而遮蔽了DNA分子,妨碍了转录,可能扮演了非特异性阻遏蛋白的作用;染色质中的非组蛋白成分具有组织细胞特异性,可能消除组蛋白的阻遏,起到特异性的去阻遏促转录作用。

发现核小体后,进一步观察核小体结构与基因转录的关系,发现活跃转录的染色质区段,有富含赖氨酸的组蛋白(H1组蛋白)水平降低,H2A·H2B组蛋白二聚体不稳定性增加、组蛋白乙酰化(acetylation)和泛素化(ubiquitination),以及H3组蛋白巯基化等现象,这些都是核小体不稳定或解体的因素或指征。转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构。这些都表明核小体结构影响基因转录。

3.转录活跃区域对核酸酶作用敏感度增加 染色质DNA受DNase Ⅰ作用通常会被降解成00、400……bp的片段,反映了完整的核小体规则的重复结构。但活跃进行转录的染色质区域受DNase Ⅰ消化常出现100-200bp的DNA片段,且长短不均一,说明其DNA受组蛋白掩盖的结构有变化,出现了对DNase Ⅰ高敏感点(hypersensitive site)。这种高敏感点常出现在转录基因的5′侧区(5′flanking region)、3′末端或在基因上,多在调控蛋白结合位点的附近,分析该区域核小体的结构发生变化,可能有利于调控蛋白结合而促进转录。

4.DNA拓扑结构变化 天然双链DNA的构象大多是负性超螺旋。当基因活跃转录时,RNA聚合酶转录方向前方DNA的构象是正性超螺旋,其后面的DNA为负性超螺旋。正性超螺旋会拆散核小体,有利于RNA聚合酶向前移动转录;而负性超螺旋则有利于核小体的再形成。

5.DNA碱基修饰变化 真核DNA中的胞嘧啶约有5%被甲基化为5甲基胞嘧啶(5methylcytidine,m5C),而活跃转录的DNA段落中胞嘧啶甲基化程度常较低。这种甲基化最常发生在某些基因5′侧区的CpG序列中,实验表明这段序列甲基化可使其后的基因不能转录,甲基化可能阻碍转录因子与DNA特定部位的结合从而影响转录。如果用基因打靶的方法除去主要的DNA甲基化酶,小鼠的胚胎就不能正常发育而死亡,可见DNA的甲基化对基因表达调控是重要的。

由此可见,染色质中的基因转录前先要有一个被激活的过程,但目前对激活机制还缺乏认识。

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