染色质结构

, , , , , ,*,第,23,章 染色质结构的控制,23.1,引言,当转录定义为,DNA,与各种转录因子以及,RNA,聚合酶相互作用时，我们只是准确描述了体外实验中的现象，但忽略了体内转录的一个重要特征。细胞基因组是由核小体组成起来的，但是如果启动子序列被包裹在核小体内，则转录起始往往被阻止。,局部染色质结构是控制基因表达的有机部分。基因存在着两种结构状态；只有在基因表达的细胞里，它才处于一种“活化”状态，其结构改变发生在转录开始之前，这表明基因是“可被转录的”这也说明基因表达的第一步是基因必须获得有活性状态的结构。,染色质局部区域处在非活性（沉默）状态的机制与它的启动子被抑制的方式有关。参与异染色质形成的蛋白质通过组蛋白作用于染色质，这样，组蛋白的修饰作用可能是该作用中很重要的特征。,染色质的这种变化一旦形成，就可能在整个细胞分裂过程保持下去，产生表观遗传状态，此时，自我永生化的染色质结构决定了基因的特性，表观遗传的概念反应了基因可以保持一种遗传情况，而该状态不依赖于基因序列。同时，更进一步的了解表观遗传的特征是由朊病毒自我永生化的结构而得到的。,23.2,染色质有两种状态,关键概念：,染色质结构是稳定的，不会因为转录因子与组蛋白平衡的变化而改变。,有两种模型可以用来解释,DNA,表达状态的改变：化学平衡和不连续的状态改变。,图,23.1,表示平衡模型。这里惟一相关的因子是阻抑物或激活剂的浓度，它在游离形式和与,DNA,结合形式之间形成一种平衡。,图,23.2,表明两种可以定位于真核生物启动子的条件：在非活性状态下，核小体出现，它们阻止基本转录因子和,RNA,聚合酶与,DNA,的结合；在活性状态下，基本转录机器占据了启动子，于是组蛋白的八聚体就无法与之结合。,需要注意的是：这些体外系统使用不成比例的反应成分，这会创造非自然的情况。因此，这些结构的重要意义并不是它证明了体内作用的机制，而是它确定了一条原则：,转录因子或核小体可能形成稳定结构，它不会由于游离成分平衡的变化而改变,。,23.3,染色质改变是一个活性的过程,关键概念：,若干染色质重建复合体所用的能量都是由,ATP,水解提供的。,SWI/SNF,，,RSC,，,NURF,复合体都是很大的；它们一些共同的亚基。,重建复合体本身并没有对任何位点的特异性，但必须与转录装置的成分结合。,染色质重建（,chromatin remodeling,）是指导致染色质结构发生变化的一般过程，这包括几种依赖于能量供给的组蛋白置换机制。,图,23.3,演示了,ATP,水解因子的动态模型的原理，当组蛋白八聚体从,DNA,释放出来，其他蛋白质才能结合。,图,23.4,总结了体外染色质重建的各种改变类型：,组蛋白八聚体可以在,DNA,上滑动，改变核酸和蛋白质之间的关系，它能改变特定序列在核小体表面的位置。,组蛋白八聚体的间距可以改变，同样也相应地改变了各个序列与蛋白质的相对位置。,最大的变化可能是八聚体完全与,DNA,分离而产生一个无核小体的缺口。,染色质重建的作用通常是改变待转录基因的启动子处核小体的组织形式，这就要求转录装置与启动子靠近。,染色质重建是通过大的复合体利用水解,ATP,提供的能量来完成的。,图,23.5,沿用直观的名字，两个主要的复合体类型是,SWI/SNF,和,ISW,，酵母的每个类型都各有两种复合体；在果蝇和人类中也找到了每一种类型的复合体,。,DNA,和组蛋白八聚体之间的接触有很多种，有,14,种已经在晶体结构中被鉴定出。为了使八聚体能被释放或易位到一个新的位置，所有这些接触都要被破坏。,一个由重建复合体催化的重要反应是核小体滑动（,sliding,）。最早观察到的现象是：,ISW,家族能影响核小体的定位而不适用置换八聚体，这是滑动反应的结果。,SWI/SNF,复合体活动中的一个难题是它的大小。它有,11,个亚基，总的分子质量约为,2*106Da,，相比之下，,RNA,聚合酶和核小体就显得很小了，这就很难理解所有这些成分如何保持在核小体表面的,DNA,相互作用。,23.4,核小体的组织可能在启动子处被改变,关键概念：,重建复合体通过序列特异的激活剂被招募到启动子。,一旦重建复合体结合，转录因子就可能被释放。,MMTV,启动子需要核小体旋转定位的改变，使得激活剂能与核小体上的,DNA,结合。,重建复合体如何定位到染色质上的特异位点呢？它们自己不含能结合特异,DNA,序列的亚基，因此我们提出了图,23.6,中所示的模型，它们是被激活剂或阻抑物招募的。,转录因子与重建复合体之间的相互作用提供了我们了解它们作用机理的重要提示。,我们发现基因的活化需要重建复合体的参与，这是因为复合体对于一些转录因子活化它们靶基因的能力是必需的。,PHO,系统是最早的系统之一，它表明核小体组织的变化参与基因的活化。在,PHO5,启动子，,bHLH,调控因子,PHO4,通过诱导,4,个精确位置的核小体的解离而对磷酸盐起反应，这个过程不依赖于转录和复制。,然而情况并不总是如此，核小体还必须解离，这样转录才能起始。一些激活剂可以在核小体的表面与,DNA,结合。核小体似乎是精确地定位在某些类固醇激素应答元件处，而激素受体可以在此与之结合。,图,23.7,显示了核小体结构如何控制因子的结合。,当激素加入后，,HR,保护它在启动子处的结合位点，但是不影响微球菌核酸酶的敏感位点。这些位点标志着核小体的任何一端，这表明,HR,是在核小体表面与,DNA,结合的。,23.25,小结,起始前复合物的存在表明基因处于“活性”状态，它准备被转录。,超敏位点会发生于不同的情况下，这暗示它们的存在反映了一个普遍的原理：具有起始活性的双螺旋位点是没有核小体的。,调控区域位于核小体的基因通常不被表达。,活性染色质和失活染色质之间不存在化学平衡。突然的破坏事件对于将一种状态转化成另一种状态是需要的。,组蛋白在复制和转录过程中发生乙酰化，它可能形成一个不太紧密的染色质结构。,与特异染色体区域结合的蛋白质，和能与组蛋白相互作用的蛋白质，参与了异染色质的形成,。,异染色质的形成可能在特定位点起始，然后向外扩展，但其距离是不定的。,组蛋白尾部的修饰引发染色质的重新组织。,在雌性哺乳动物中，一条,X,染色体的失活是随机发生的。,DNA,的甲基化可表现为表观遗传。,朊病毒是蛋白质感染的病原体，这就是它引起羊瘙痒病和人类相关疾病的原因。,谢谢！,