2.基因調(diào)控機(jī)制——染色質(zhì)的功能微信公眾號(hào)：生信小知識(shí)
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目錄
前言0. 摘要1. 常染色質(zhì)和異染色質(zhì)2. 核小體3. 開放和關(guān)閉狀態(tài)下染色質(zhì)的組蛋白修飾4. 組蛋白修飾的基因組效應(yīng)5. 染色質(zhì)的層級(jí)結(jié)構(gòu)6. 健康和疾病狀態(tài)下表觀信號(hào)的作用后記 前言之前說了要給大家推薦一本書，并說了會(huì)把讀書筆記記錄下來分享給大家： 0.基因調(diào)控機(jī)制——書籍介紹 現(xiàn)在就開始了！ 下面是之前已經(jīng)寫完的筆記，有需要的自取查閱： 1.基因調(diào)控機(jī)制——什么是基因表達(dá) 0. 摘要為了方便，大家經(jīng)常把DNA看作是一個(gè)線性的結(jié)構(gòu)，然而對(duì)于二倍體的人類而言，基因組長(zhǎng)度約為2*3,260,000,000bp，如果拉成一條線，則長(zhǎng)約2m，這相當(dāng)于正常細(xì)胞直徑的200,000倍！將這么長(zhǎng)的DNA包裝在一個(gè)小小的細(xì)胞中，主要通過： 將DNA纏繞在核小體上 將核小體組成纖維狀 形成染色質(zhì)環(huán)
而一個(gè)細(xì)胞中通過一系列非組蛋白（例如：酶），調(diào)控細(xì)胞中約30,000,000個(gè)核小體的狀態(tài)，從而決定了細(xì)胞中基因的開放性。這是決定一個(gè)基因是否表達(dá)的關(guān)鍵一步。 DNA纏繞核小體的松緊程度以及轉(zhuǎn)錄后組蛋白尾巴的修飾，是對(duì)于調(diào)控染色質(zhì)緊密程度的關(guān)鍵所在。另外，由TF、pol Ⅱ以及其他非組蛋白組成的蛋白復(fù)合物決定了染色質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，這也是染色質(zhì)的功能單位。 在這章內(nèi)容中，我們將討論常染色質(zhì)和異染色質(zhì)間的差異以及兩者之間的轉(zhuǎn)換，我們將以核小體為單位理解并討論各種組蛋白修飾的作用和屬性。這章內(nèi)容將會(huì)為后面章節(jié)內(nèi)容打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)： histone code (Chap. 8) epigenome (Chaps. 9 and 10) chromatin remodeling (Chap. 11) nuclear architecture (Chap. 12)
1. 常染色質(zhì)和異染色質(zhì)細(xì)胞的有絲分裂分為分裂間期（包括G1，S和G2）和分裂期（前期，中期，后期，末期）。在分裂間期中，通過染色技術(shù)，我們將中心較淺的區(qū)域稱為常染色質(zhì)，而其外圍較暗的聚集體稱為異染色質(zhì)
異染色質(zhì)出現(xiàn)在DNA重復(fù)片段區(qū)域或者有silencers的區(qū)域，這些區(qū)域可以被加上一定的修飾，從而可以被一些抑制性的蛋白結(jié)合，例如HP1。 異染色質(zhì)長(zhǎng)度可以超過10-100kb，這些異染色質(zhì)分布在細(xì)胞核的外圍，并富含有抑制性的蛋白，例如多梳家族蛋白 根據(jù)異染色質(zhì)是否可以轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｈ旧|(zhì)，可以將異染色質(zhì)進(jìn)一步分類：
結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)：constitutive heterochromatin，在整個(gè)發(fā)育過程中持續(xù)處于關(guān)閉狀態(tài)的染色質(zhì)，例如著絲點(diǎn)、端粒區(qū)域，這些區(qū)域的基因表達(dá)量相對(duì)低 兼性異染色質(zhì)：facultative heterochromatin，在發(fā)育過程中，僅僅某個(gè)階段處于關(guān)閉狀態(tài)，而在一定條件下可以再次打開，成為常染色質(zhì)
只有處于常染色質(zhì)區(qū)域的基因才可以轉(zhuǎn)錄表達(dá)。 染色質(zhì)的兩種狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖：
過去染色質(zhì)被認(rèn)為只是一種壓縮DNA的結(jié)構(gòu)，但是近些年的研究證明染色質(zhì)的開放性在調(diào)控基因表達(dá)上具有重要作用。這種調(diào)控作用涉及到核小體和轉(zhuǎn)錄因子在基因組上某些特定區(qū)域的競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合：
2. 核小體核小體是染色質(zhì)最基礎(chǔ)的單位結(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)二倍體人類而言，每個(gè)二倍體細(xì)胞中，大概有30,000,000個(gè)核小體。 核小體由DNA和H1、H2A、H2B、H3和H4等5種組蛋白構(gòu)成。其蛋白結(jié)構(gòu)如下所示：
核小體雖然只有5種組蛋白，但是卻有超過100個(gè)基因用來編碼這些組蛋白，并且每種組蛋白有多種突變體（variants）。
核小體的一般特征：（1）分子量小，只有約11-15kD（2）堿性氨基酸賴氨酸（K）和精氨酸（R）含量高，特別是在它們的氨基末端 每種組蛋白有多種突變體，其中對(duì)于linker組蛋白H1而言有8種，剩下的4種蛋白每個(gè)有4種。最常見的突變體有：
H2A.Z：在建立平衡或激活 Pol II 啟動(dòng)子方面發(fā)揮作用。此外，這種突變體對(duì)于早期發(fā)育、染色體穩(wěn)定性和著絲粒功能至關(guān)重要。 MacroH2A：這是一種脊椎動(dòng)物特異性的突變體。它存在于幾種表現(xiàn)不同功能的剪接變體中。這種組蛋白突變體在哺乳動(dòng)物失活的X染色體上富集。 H2A.Bbd：在睪丸和大腦中表達(dá)的人類特異性突變體。 H2A.X：在雙鏈DNA斷裂位點(diǎn)上，該突變的羧基末端motif被磷酸化 H3.3：參與基因激活以及異染色質(zhì)形成 CENPA：該突變是H3組蛋白的一種，它對(duì)于著絲粒的組裝十分重要
兩分子的H2A、H2B、H3和H4形成一個(gè)組蛋白八聚體，147bp的DNA分子盤繞在組蛋白八聚體構(gòu)成的核心結(jié)構(gòu)外面1.75圈（纏繞核小體一圈DNA長(zhǎng)度為80bp）形成了一個(gè)核小體的核心顆粒。使DNA彎曲纏繞核小體的力量來自多方面，可以包括但是不局限于以下幾種：
注意：poly(dA:dT) 區(qū)域則不容易發(fā)生彎曲
3. 開放和關(guān)閉狀態(tài)下染色質(zhì)的組蛋白修飾最常發(fā)生的組蛋白修飾有：
| 乙酰化修飾 | 甲基化修飾 | 磷酸化修飾 |
|---|
| 賴氨酸（lysines，K） | √ | √ |
| | 精氨酸（arginines，R） |
| √ |
| | 絲氨酸（serines，S） |
|
| √ | | 蘇氨酸（threonines，T） |
|
| √ |
組蛋白修飾的命名法則：
標(biāo)注組蛋白名字，例如H3 氨基酸殘基的簡(jiǎn)寫（例如K表示賴氨酸）及在組蛋白中的位置 修飾類型，例如ac: acetyl, me: methyl, P: phosphate, Ub: ubiquitin 修飾的數(shù)目，目前僅有甲基化修飾可以出現(xiàn)超過1次，1、2、3次分別用mono-, di, tri-methylation表示
實(shí)例：H3K27me3 H3組蛋白上第27個(gè)賴氨酸殘基（第27位氨基酸不一定是賴氨酸）有3個(gè)甲基化修飾
我們以經(jīng)典的H3K4的乙?；揎椷M(jìn)行講述修飾的過程：
這種由于共價(jià)修飾而引起的電荷改變，對(duì)于染色質(zhì)開放狀態(tài)的影響重要
常見的激活型修飾和抑制性修飾：
激活型修飾：H3和H4的乙?；揎?，H3K4的甲基化修飾 抑制性修飾：H3K9，H3K27，H4K20的mono-, di, tri-methylation
在調(diào)節(jié)染色質(zhì)可及性上，不僅僅是組蛋白修飾酶會(huì)發(fā)揮作用，這里還涉及到其他作用的酶，例如染色質(zhì)重塑相關(guān)酶等。下面一個(gè)簡(jiǎn)單的例子清晰講解整個(gè)過程：
當(dāng)HAT酶活性更強(qiáng)時(shí)，組蛋白被乙?；?/strong>，于是核小體（包含組蛋白）所攜帶正電荷減少，和攜帶負(fù)電荷的基因組DNA之間的吸引力減弱，這使得TF、TFⅡD、pol Ⅱ等蛋白可以接觸到基因組DNA。這時(shí)，染色質(zhì)重塑酶（例如：SWI/SNF）則會(huì)微調(diào)核小體之間的距離，從而暴露出足夠的空間給上述蛋白。 當(dāng)HDAC酶活性更強(qiáng)時(shí)，組蛋白上已有的乙?；鶊F(tuán)被去除，于是核小體（包含組蛋白）所攜帶的正電荷增多，和基因組DNA之間吸引力增強(qiáng)，這使得染色質(zhì)變得更加緊密。然后在組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferase，HMT）的作用下，在組蛋白殘基上添加了甲基化修飾，從而吸引了異染色質(zhì)蛋白，如HP1結(jié)合在組蛋白上，穩(wěn)定了組蛋白的異染色質(zhì)狀態(tài)。
4. 組蛋白修飾的基因組效應(yīng)雖然全基因組上來看，核小體的組織結(jié)構(gòu)沒有太大改變，但是在特定類型細(xì)胞中，核小體的位置、組成、占有率、組蛋白修飾等卻與其他細(xì)胞類型不同。 根據(jù)ENCODE計(jì)劃對(duì)人類多種細(xì)胞進(jìn)行詳細(xì)的比較，得出了一個(gè)結(jié)論：一些組蛋白修飾與激活轉(zhuǎn)錄的蛋白結(jié)合（例如：H3K4me3和H3K36me3），而與此對(duì)應(yīng)的，一些組蛋白修飾與抑制轉(zhuǎn)錄的蛋白結(jié)合（例如：H3K9me3和H3K27me3），還有其他某些組蛋白修飾與增強(qiáng)子結(jié)合。這些修飾的意義并非無規(guī)律可尋。
TSS下游第一個(gè)核小體調(diào)控這個(gè)位點(diǎn)的可及性，從而影響Pol Ⅱ進(jìn)入轉(zhuǎn)錄的elongation階段。此外，TSS下游第一個(gè)核小體還可以調(diào)控轉(zhuǎn)錄機(jī)器結(jié)合到TATA box位點(diǎn)的能力
5. 染色質(zhì)的層級(jí)結(jié)構(gòu)基因在細(xì)胞分裂間期中，在細(xì)胞核中的位置對(duì)于其基因的表達(dá)有重要作用，那么基因在細(xì)胞核中的位置對(duì)于基因表達(dá)來說是否是一個(gè)獨(dú)立且重要的功能單位呢？ 在激活的基因上，一些區(qū)域富集有H3K4me3，H3K36me3，H4K20me1，H2K5me1等修飾，并且這些區(qū)域在空間三維環(huán)境下距離非常接近，在Pol Ⅱ附近聚集成群，這被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄工廠（ transcription factories）的標(biāo)志，他們多分布在細(xì)胞核的中心區(qū)。相比之下，由核纖層蛋白組成的核骨架（貼近核內(nèi)層膜）則與異染色質(zhì)相結(jié)合，這些區(qū)域有H3K9的甲基化修飾。此外，研究證明大塊H3K27me3抑制性區(qū)域則出現(xiàn)在已分化的細(xì)胞中，而在干細(xì)胞中的數(shù)量則相對(duì)少，這些區(qū)域構(gòu)成了多梳蛋白家族。
一般來說，在哺乳動(dòng)物中，至少有5層染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控基因開啟或關(guān)閉狀態(tài)：
level 1：DNA的甲基化狀態(tài)，甲基化后一般對(duì)應(yīng)基因表達(dá)的關(guān)閉 level 2：核小體的組裝，異染色質(zhì)多為關(guān)閉狀態(tài)，而常染色質(zhì)則為開放狀態(tài) level 3：組蛋白的修飾，常見開放狀態(tài)的修飾有K4me3，K9Ac；而常見關(guān)閉狀態(tài)的修飾有K9Me3、K27Me3等 level 4：DNA上對(duì)于轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的可及性，TF可以結(jié)合到DNA上多提示開放狀態(tài)，而結(jié)合受限則多提示關(guān)閉狀態(tài) level 5：染色質(zhì)的相對(duì)位置及轉(zhuǎn)錄工廠的形成，一般激活狀態(tài)的基因多分布在細(xì)胞核中心區(qū)，而關(guān)閉的基因則多分布于細(xì)胞核外圍
6. 健康和疾病狀態(tài)下表觀信號(hào)的作用iPSCs細(xì)胞和ESCs細(xì)胞主要的差異在于：抑制性染色質(zhì)的區(qū)域。ESCs細(xì)胞通常缺乏抑制性染色質(zhì)修飾，并且染色質(zhì)重塑子的活性比iPS Cs細(xì)胞更強(qiáng)。 腫瘤細(xì)胞的染色質(zhì)狀態(tài)同樣也發(fā)生了重編程，一些針對(duì)染色質(zhì)修飾的藥物可以促進(jìn)疾病的預(yù)后，例如HDACs抑制劑（西達(dá)本胺【愛譜沙】），DNMT抑制劑（地西他賓）等 甚至人類的壽命與組蛋白乙酰化和甲基化的特定狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)橐活惙Q為“sirtuins”的HDACs可促進(jìn)基因沉默和長(zhǎng)壽。 表觀遺傳信號(hào)在疾病中經(jīng)常受到干擾，對(duì)于它們最有效的治療方法，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行足夠詳細(xì)的了解。現(xiàn)在我們對(duì)表觀遺傳信號(hào)的理解包含三個(gè)主要成分：
表觀啟動(dòng)子（epigenetic initiator）：主要是細(xì)胞外信號(hào)，例如生長(zhǎng)因子、激素或其他信號(hào)分子，它啟動(dòng)信號(hào)的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)。 表觀效應(yīng)子（epigenetic effector）：這是級(jí)聯(lián)信號(hào)傳導(dǎo)的最后一站，通常是轉(zhuǎn)錄因子、co-factors或染色質(zhì)修飾子。 表觀維持子（epigenetic maintainers）：主要是表觀修飾markers，例如組蛋白修飾或者DNA甲基化修飾等
后記第2章的內(nèi)容不算多，但是非常重要，也讓我學(xué)到了很多有趣的知識(shí)，大家如果想收獲更多，當(dāng)然還是推薦大家自己去閱讀原書啦！ 書籍下載信息可以去看我之前的推薦：0.基因調(diào)控機(jī)制——書籍介紹
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