16.3: 真核生物表观遗传基因调控

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培养技能

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。

A 部分描绘了一个由融合在一起的球形组蛋白组成的核小体。双链 DNA 螺旋环绕核小体两次。游离 DNA 从核小体的两端延伸。 B 部分是与核小体相关的 DNA 的电子显微照片。每个核小体看起来都像珠子。这些珠子通过游离 DNA 连接在一起。串在一起的九颗珠子的宽度约为 150 nm。 — 图\(\PageIndex{1}\)：将DNA折叠在组蛋白周围，产生（a）核小体复合物。这些核小体控制蛋白质进入底层 DNA 的途径。通过电子显微镜 (b) 观察时，核小体看起来像绳子上的珠子。（来源 “micrograph”：克里斯·伍德考克对作品的修改）

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

核小体被描绘成轮状结构。核小体由组蛋白组成，外面包裹着DNA。每个组蛋白都有一条从车轮上伸出的尾巴。当 DNA 和组蛋白尾巴被甲基化时，核小体紧密地聚集在一起，因此没有游离的 DNA。转录因子不能结合，基因不表达。组蛋白尾巴的乙酰化会导致核小体的包装松散。游离DNA暴露在核小体之间，转录因子能够将基因与这种暴露的DNA结合起来。 — 图\(\PageIndex{2}\)：核小体可以沿着 DNA 滑动。当核小体紧密地间隔在一起时（上图），转录因子无法结合，基因表达被关闭。当核小体间隔很远（底部）时，DNA就会暴露出来。转录因子可以结合，从而实现基因表达。对组蛋白和 DNA 的修改会影响核小体间距。

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。

插图显示了一条被部分解开和放大的染色体，揭示了缠绕在 DNA 双螺旋周围的组蛋白质。组蛋白是DNA绕着其进行压实和基因调控的蛋白质。 DNA的甲基化和组蛋白尾部的化学修饰被称为表观遗传学变化。表观遗传学的变化改变了核小体的间距并改变了基因表达。表观遗传学变化可能源于子宫内或儿童时期的发育、环境化学物质、药物、衰老或饮食。表观遗传学变化可能导致癌症、自身免疫性疾病、精神障碍和糖尿病。 — 图\(\PageIndex{3}\)：组蛋白和DNA核苷酸可以进行化学修饰。修饰会影响核小体间距和基因表达。（来源：美国国立卫生研究院对作品的修改）

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: 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