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11.2 DNA和染色体水平的调控
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:3241    更新时间:2011/4/15
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真核生物随着生长发育以及在不同的环境条件下,某些基因“开放”,某些基因“沉默”,同时DNA水平规律性变化也参与了生物体发育的调节。

如成熟红细胞可转录出大量珠蛋白mRNA。这主要是由于红细胞的珠蛋白基因拷贝数增加的结果。在有些生物发育过程中也会发生基因封闭、基因丢失和某些基因重排现象。

 

11.2.1 基因封闭

真核基因组DNA与组蛋白结合成核小体,再进一步形成更高级的染色质结构,染色质中DNA和组蛋白的结构状态影响转录。

 

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),其中未见有基因转录。

在常染色质中表达的基因如移到异染色质则不表达;即紧密的染色质结构阻止基因表达。

 

组蛋白是带正电荷的碱性蛋白质,可与DNA链上带负电荷的磷酸基相结合,从而封闭了DNA分子,妨碍基因转录。活跃转录的染色质区段中H1水平降低。

 

高频表达的基因其核小体结构很难看到,而其它基因表达并不与核小体结构排斥。例如SV40是在核小体的状态下被转录的。

 

转录可引起组蛋白八聚体的置换

 

染色质结构是动态的,染色质结构的改变称为染色质重建。这需要重建复合体的参与。重建可能导致转录因子及RNA pol的结合。

 

重建引起核小体沿DNA滑动以及核小体间重新排布

 

转录活跃的区域也常缺乏核小体的结构,并且对核酸酶敏感度增加。

 

特异的转录因子可消除组蛋白的阻遏作用,使基因转录。

 

组蛋白H3和H4的N端20个氨基酸通过甲基化、乙酰化和磷酸化作用会改变组蛋白与DNA间的亲和力,为其它蛋白和转录因子等的结合提供了机会。

 

组蛋白H3和H4的乙酰化与活性染色质有关,而甲基化与非活性染色质有关。

 

 

acK: acetyl-Lys;               meR: methyl-Arg

meK: methyl-Lys;            PS: phospho-Ser

uK: ubiquitinated Lys

 

11.2.2 基因丢失

基因丢失是在有些低等真核生物的个体发育过程中,细胞分化时一些不需要的基因被消除的现象。

高等生物尚未发现,也可能只存在于高度分化的体细胞中而不易找到。

 

例如马蛔虫受精卵中只有1对染色体(2n=2),其生殖细胞保持着完整基因组,在体细胞分化中,染色体破碎成很多片段的小染色体。

其中具有着丝点的在细胞分裂中得到保存,不具着丝点的片段在细胞分裂中不能分配到子细胞中而丢失,从而决定了体细胞的分化方向。

小麦瘿蚊在个体发育中也有类似的部分染色体丢失的现象。

 

动物克隆表明高等生物细胞核未发生基因丢失。但在高等多倍体生物的数万个基因中丢失少数基因,能否用目前的实验手段检测出来,还有疑问。

 

11.2.3 基因扩增

基因扩增(gene amplification)是基因组中的特定基因在某些情况下复制产生大量拷贝的现象。

基因扩增使细胞在短期内产生大量专一基因产物以满足生长发育的需要。是基因活性调控的一种方式。

 

①非洲爪蟾卵母细胞rRNA的DNA水平调节

爪蟾在卵裂期和胚胎期需大量蛋白质,rDNA原有拷贝为500个,在卵母细胞发育过程中,由于rDNA的扩增使核仁数达几百个。rDNA的拷贝数可由原来单个核仁中的500个扩增到2×106个。

 

rDNA是采用滚环式复制方式在核仁区进行的扩增,扩增产生的新rDNA不纳入线形染色体中,而是一环状小DNA分子方式存在。每个环状DNA分子中有2~4个,甚至16个rRNA基因。

基因扩增能够大幅度提高基因表达产物的量。

卵母细胞一旦成熟,多余的rDNA将逐步降解。

 

②果蝇的不切离的多次复制使基因扩增

果蝇在卵巢成熟之前,卵巢颗粒细胞中的卵壳蛋白基因被扩增。果蝇的卵母细胞经过4次分裂,形成1个卵母细胞和15个营养细胞(为卵母细胞提供蛋白质及其它营养)。

营养细胞通过胞浆桥与卵细胞相连,使营养物质顺利进入正在增大的卵细胞。

 

DNA不切离的多次扩增形成复制泡的网状结构

 

③生理适应性扩增

组织培养细胞在有适当抗生素存在时,可有选择的扩增某一基因。如氨甲蝶呤(methotrexate)可选择性地扩增与其拮抗的二氢叶酸还原酶(dihydrofolate reductase DHFR)的基因。使DHFR基因扩增40~400倍,扩增频率为10-4~10-6,比自发突变频率大得多。

 

11.2.4 基因重排

基因重排(gene rearrangement)是胚原性基因组中某些基因会再组合变化形成第二级基因。它发生在转录前,在分化细胞中尤为突出。

基因重排分为非定向重排和定向重排与变换两大类。

 

11.2.4.1 非定向重排

例如转座子在染色体上的移动,转座子的插入可激活或抑制某些基因。如顺向末端重复序列的转座可能导致某些片段的缺失而使启动子邻近结构基因而使其转录。

 

11.2.4.2 定向重排与变换

①定向重排可使一个基因从远离其启动子的位置移到启动子附近位点而被启动。

如小鼠免疫球蛋白结构基因的表达。

免疫球蛋白肽链由可变区(V区)、恒定区(C区)及两者之间上游连接区(J区)组成。

 

V基因、C基因和J基因在小鼠胚胎细胞中相距较远。当免疫细胞分化时,通过染色体定向重排把3个远离的基因连在一起,从而使细胞分化成专化的免疫细胞。

重排的过程是淋巴细胞受到抗原刺激而分化为浆细胞时发生的。

免疫球蛋白基因的精细重排使多个基因经重组编码一条肽链。V、C、J基因的不同组合造成了抗体的多样性。

 

在淋巴细胞分化发育过程中,由原来分开的几百个不同的可变区(V)基因经选择、组合、变化,与恒定区(C)基因一起构成稳定的、为特定的完整抗体蛋白编码的可表达的基因。

基因重排使细胞能利用几百个抗体基因的片段,组合变化而产生能编码达108种不同抗体的基因。

 

②基因表达的变换

由于DNA片段缺失使调控区和新基因受体连接成新调控启动基因,使原来无活性基因转变为有活性。

如人不同发育时期珠蛋白基因的表达变换。

人血红蛋白α链和β链的基因分别位于16和11号染色体上。

 

16号染色体编码α链基因家族成员:x、yx、ya1、a2、α1。

11号染色体编码β链基因家族成员:e、Gg、Ag、yb、d、b。

 

人体不同发育阶段表达不同的血红蛋白基因

 

β珠蛋白基因的调控表达

血红蛋白调控序列R1、R2、R3与编码序列分别被S1、S2、S3隔开而不能表达。

胚胎发育早期间隔序列S1缺失,使R1与e相连而表达e。胎儿期间隔序列S2缺失,使R2与g相连而表达g。成人期间隔序列S3缺失,使R3与d或b相连而表达d或b。

 

S1、S2、S3的切除及R系列与编码序列的重组与个体发育阶段有关,因此在发育不同阶段血红蛋白组成不同。

 

③环境条件引起的基因变化

环境条件不仅能影响生物的表型,也能修饰基因型,引起基因的永久性变化。

改变环境温度、水分和pH等条件,可使植物改变了的表型得到遗传。

 

环境引起的稳定变异很可能起因于某些DNA序列的不等复制、不等变换或某些染色体外因子导致的基因重排。

40、50年代前苏联“米丘林学派”曾过分夸大外环境的影响。

 

11.2.5 基因修饰

基因修饰发生在DNA水平,主要包括甲基化修饰及转座子插入等。

 

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序列中胞嘧啶甲基化程度常较低。甲基化最常发生在某些基因5’侧区的CpG序列中。

 

在基因的末端通常存在一些富含“CG”的区域,称为“CpG岛”(CpG island)。在人类基因组内,存在有近29000个CpG岛(56%的人类基因上游有CpG岛);在大多数染色体上,平均每100万碱基含有5~15个CpG岛,其中有1.8万多个CpG岛的GC含量为60%~70%(而染色体GC含量一般为40%)。通常这些CpG岛不仅是基因的一种标志,而且还参与基因表达的调控和影响染色质的结构。

 

CpG岛一般从启动子的上游延伸到下游转录区域中,然后逐渐消失。

在转录表达的基因中,CpG岛是未被甲基化的,但非甲基化不是转录的充分条件。

甲基化可能影响了DNA的构象,阻碍转录因子与DNA特定部位的相互作用,从而影响转录起始。也可能促进了特定阻遏物和DNA的结合。

 

如果损坏小鼠的维持甲基化酶(Dnmt1)的基因,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。

因此,染色质中的基因转录前先要有一个被激活的过程。

 

甲基化的意义

DNA甲基化可稳定地抑制转录,缺乏DNA甲基化酶时抑制消失,许多应被抑制的基因(如原病毒基因、原癌基因或其它潜在的有害序列)被转录,影响正常的发育进程。

DNA甲基化对转录的抑制直接参与发育调控。随个体发育或细胞分化,将需要保持“沉默”的基因甲基化,需要转录的基因去甲基化。

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