16.3: 真核生物表观遗传基因调控
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- 解释表观遗传调控的过程
- 描述组蛋白修饰如何控制 DNA 的获取
真核生物基因表达比原核生物基因表达更为复杂，因为转录和翻译过程在物理上是分开的。 与原核细胞不同，真核细胞可以在许多不同的水平上调节基因表达。 真核生物基因的表达从控制获取 DNA 开始。 这种称为表观遗传调控的调控形式甚至在转录开始之前就发生了。
表观遗传控制：调节染色体内基因的获取
人类基因组编码超过20,000个基因；23对人类染色体中的每对都编码数千个基因。 细胞核中的DNA被精确地缠绕、折叠和压实成染色体，这样它就可以融入细胞核。 它的组织方式还使特定单元类型可以根据需要访问特定的分段。
组织或包装的第一个层次是围绕组蛋白的DNA链缠绕。 组蛋白将DNA打包并排序成称为核小体复合物的结构单元，这可以控制蛋白质进入DNA区域（图\(\PageIndex{1}\) a）。 在电子显微镜下，DNA绕组蛋白绕组蛋白形成核小体看起来像绳子上的小珠子（图\(\PageIndex{1}\) b）。 这些珠子（组蛋白蛋白）可以沿着字符串（DNA）移动并改变分子的结构。
如果要将编码特定基因的DNA转录为RNA，则该DNA区域周围的核小体可以向下滑动DNA以打开该特定的染色体区域，并允许转录机制（RNA聚合酶）启动转录（图\(\PageIndex{2}\)）。 核小体可以移动以打开染色体结构以暴露一段 DNA，但这样做的方式非常可控。
艺术连接
在雌性中，由于染色质的表观遗传学变化，两条 X 染色体中的一条在胚胎发育过程中失活。 你认为这些变化会对核小体包装产生什么影响？
组蛋白如何移动取决于组蛋白和DNA上发现的信号。 这些信号是添加到组蛋白和 DNA 中的标签，用于告诉组蛋白染色体区域应该打开还是关闭（图\(\PageIndex{3}\)）描绘了对组蛋白和 DNA 的修改）。 这些标签不是永久性的，但可以根据需要添加或删除。 它们是化学修饰（磷酸盐、甲基或乙酰基），附着在蛋白质中的特定氨基酸或 DNA 的核苷酸上。 这些标签不会改变 DNA 碱基序列，但它们确实改变了 DNA 在组蛋白周围缠绕的紧密程度。 DNA是一种带负电荷的分子；因此，组蛋白电荷的变化将改变DNA分子的紧密程度。 未修饰时，组蛋白具有很大的正电荷；通过添加乙酰基团等化学修饰，电荷的正电荷会降低。
DNA 分子本身也可以被修改。 这种情况发生在称为CpG群岛的非常特殊的区域。 这些是在基因启动子区域发现的胞嘧啶和鸟嘌呤二核苷酸DNA对（CG）的高频延伸。 当存在这种构型时，该对中的胞嘧啶成员可以被甲基化（添加甲基）。 这种修改改变了DNA与蛋白质相互作用的方式，包括控制进入该区域的组蛋白。 具有脱乙酰化组蛋白的高甲基化（超甲基化）DNA 区域紧密盘绕且转录不活跃。
这种类型的基因调控称为表观遗传调控。 表观遗传学的意思是 “围绕遗传学”。 组蛋白和DNA发生的变化不会改变核苷酸序列，也不是永久性的。 相反，这些变化是暂时的（尽管它们通常会持续多轮细胞分裂），并根据需要改变染色体结构（开放或封闭）。 基因的开启或关闭取决于组蛋白和DNA的位置和修改。 如果要转录一个基因，则在编码该基因的染色体区域周围修改组蛋白和DNA。 这打开了染色体区域，允许RNA聚合酶和其他蛋白质（称为转录因子）与位于基因上游的启动子区域结合并启动转录。 如果一个基因要保持关闭状态或沉默状态，则组蛋白和DNA具有不同的修饰，表示染色体结构处于封闭状态。 在这种封闭结构中，RNA聚合酶和转录因子无法获得DNA，也无法发生转录（图\(\PageIndex{3}\)）。
链接到学习
观看此视频，介绍表观遗传调控如何控制基因表达。
摘要
在真核细胞中，基因表达控制的第一阶段发生在表观遗传学层面。 表观遗传机制控制进入染色体区域的通道，从而允许基因开启或关闭。 这些机制通过调节 DNA 在组蛋白周围缠绕的紧密程度来控制 DNA 如何填充到细胞核中。 添加或移除对组蛋白或 DNA 信号的化学修饰（或标记），以打开或关闭染色体区域。 因此，真核细胞可以通过控制转录因子的可及性以及RNA聚合酶的结合来启动转录来控制基因是否表达。
艺术联系
图\(\PageIndex{2}\)：在雌性中，由于染色质的表观遗传学变化，两条 X 染色体中的一条在胚胎发育过程中失活。 你认为这些变化会对核小体包装产生什么影响？
- 回答
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核小体会更紧密地聚集在一起。
词汇表
- 转录因子
- 在启动子或增强子区域与DNA结合并影响基因转录的蛋白质