1.基因調(diào)控機(jī)制——什么是基因表達(dá)

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目錄

前言0. 摘要1. 中心法則2. 基因轉(zhuǎn)錄的復(fù)雜性3. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因素4. 基因調(diào)控中的染色質(zhì)激活5. 基因表達(dá)程序后記

前言

之前說(shuō)了要給大家推薦一本書(shū)，并說(shuō)了會(huì)把讀書(shū)筆記記錄下來(lái)分享給大家：

0.基因調(diào)控機(jī)制——書(shū)籍介紹

現(xiàn)在就開(kāi)始了！

0. 摘要

人類基因組有2w個(gè)蛋白編碼基因組成，還有幾乎相同數(shù)目的ncRNA、rRNA、tRNA、lncRNA及miRNA。當(dāng)一個(gè)基因被稱為“表達(dá)”時(shí)，我們一般認(rèn)為是它可以被轉(zhuǎn)錄為RNA。在給定的某一組織或者細(xì)胞中，在所有基因中只有約一半的基因可以表達(dá)。此外，每個(gè)組織的表型都由其自身基因的轉(zhuǎn)錄模式所確定，當(dāng)細(xì)胞暴露于信號(hào)（例如飲食或壓力）時(shí)，這種基因模式會(huì)發(fā)生變化。

組織的基因表達(dá)是控制細(xì)胞一般特性及其對(duì)環(huán)境變化的中心機(jī)制。這種變化的改變同樣適用于健康和疾病狀況。因此，對(duì)基因表達(dá)模式改變的了解不僅可以幫助我們了解疾病，同樣也具有治療治療的潛力。

在本章中，我們將概述基因表達(dá)的核心特征。我們將描述基因表達(dá)受到嚴(yán)格控制，特別是在基因轉(zhuǎn)錄水平上。至少有三個(gè)層次的控制，即DNA序列、表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄因子。

1. 中心法則

1. 中心法則的主要內(nèi)容概括在下面的一張圖中：

2. 基因的定義：在基因組中，可以被轉(zhuǎn)錄為RNA的DNA序列。這其實(shí)就是說(shuō)，不僅僅是mRNA，連同rRNA、tRNA、miRNA等，都可以被視為基因。

genes are defined as those regions of genomic DNA that can be transcribed into RNA.

3. 基因的表達(dá)模式在不同組織中存在較大差異，且在應(yīng)對(duì)外界壓力時(shí)也會(huì)有劇烈改變。

4. 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）：一個(gè)基因轉(zhuǎn)錄為mRNA的第一個(gè)堿基，也就是基因的5'端。

5. 基因間區(qū)（intergenic region）：基因和基因之間的區(qū)域，一般長(zhǎng)度在數(shù)百bp到數(shù)百萬(wàn)bp。基因間區(qū)占據(jù)了人類基因組85%以上的序列。換句話說(shuō)，真正轉(zhuǎn)錄為pre-mRNA（包括mRNA、rRNA、tRNA、miRNA等）的基因組區(qū)域只有約15%。

6. 內(nèi)含子長(zhǎng)度平均是外顯子長(zhǎng)度的10倍以上，所以經(jīng)過(guò)剪接后成熟的mRNA比未成熟的pre-mRNA要短的多。

7. UTR（Untranslated region）區(qū)域：中文名是非翻譯區(qū)，分成5’端和3'端的UTR。既然稱為非翻譯區(qū)，這個(gè)概念就是針對(duì)成熟mRNA而言的。而成熟mRNA中保留下的區(qū)域主要是外顯子，所以UTR區(qū)域其實(shí)包含在第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子中。

8. 對(duì)于人類的2w個(gè)蛋白編碼基因而言，pre-mRNA的平均長(zhǎng)度超過(guò)16000nt，而人類蛋白質(zhì)平均包含有460個(gè)氨基酸，這也就是說(shuō)，成熟的mRNA理論上只需要460*3=1380nt的長(zhǎng)度。這就是說(shuō)，一個(gè)基因只有5-10%的部分會(huì)成為成熟mRNA序列。

9. 個(gè)體的蛋白質(zhì)組取決于轉(zhuǎn)錄組，但他們之間不是1:1的數(shù)量關(guān)系。由于翻譯后修飾，如乙?；?、甲基化和磷酸化，蛋白質(zhì)組比轉(zhuǎn)錄組復(fù)雜得多。但是蛋白表達(dá)的第一步——從DNA到mRNA的轉(zhuǎn)錄過(guò)程是受到調(diào)控和調(diào)節(jié)最嚴(yán)密過(guò)程，這很符合邏輯，因?yàn)?strong>第一步的變化是后面變化的基礎(chǔ)。

2. 基因轉(zhuǎn)錄的復(fù)雜性

1. RNA聚合酶有3種，不同的RNA聚合酶發(fā)揮不同的作用：

• RNA pol Ⅰ合成的rRNA占一個(gè)細(xì)胞中所有RNA總量的80%以上

• RNA pol Ⅰ和RNA pol Ⅲ合成的RNA主要用來(lái)維持細(xì)胞的基礎(chǔ)活動(dòng)，也就是這些RNA主要是house keeping基因，因此RNA pol Ⅰ和RNA pol Ⅲ受到的調(diào)控比較簡(jiǎn)單直接。

• RNA pol Ⅱ合成所有的蛋白編碼基因（約20000個(gè)）以及大部分的ncRNA，例如miRNA。因?yàn)榈鞍拙幋a基因的表達(dá)受到細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)的刺激，所以RNA pol Ⅱ受到的調(diào)控十分復(fù)雜。

1. 下圖展示了一個(gè)蛋白編碼基因的區(qū)域。

• 同一個(gè)基因可以有多個(gè)TSS區(qū)域

• 同一區(qū)域內(nèi)，正負(fù)鏈DNA可以編碼不同的基因

• 一些非編碼RNA如snRNA、miRNA可以從基因的正鏈或負(fù)鏈中獲得。這些RNA有的具有自己獨(dú)立的TSS，有的則是pre-mRNA處理過(guò)程中產(chǎn)生的（例如剪切下來(lái)的intron）

3. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因素

1. 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)主要在染色質(zhì)的基礎(chǔ)上發(fā)生，染色質(zhì)由核小體組成，而核小體由200bp DNA片段加上四種組蛋白——H2A, H2B, H3, H4構(gòu)成。

2. 組蛋白的末端可以可以有不同的修飾，例如甲基化、乙酰化等，這些不同的修飾對(duì)于基因表達(dá)具有不同的調(diào)節(jié)作用。

3. 組蛋白除了可以被修飾外，其作為蛋白質(zhì)，同樣可以出現(xiàn)不同的突變體。例如H2A.Z或H3.3等。

4. 染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子關(guān)系密切，不同的染色質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)錄因子有不同的親和性，而轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在染色質(zhì)上可以調(diào)控RNA pol 酶的活性，從而調(diào)控基因的表達(dá)量。

5. pol Ⅱ是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的核心，pol Ⅱ和通用轉(zhuǎn)錄因子在TSS區(qū)域進(jìn)行組裝，從而形成轉(zhuǎn)錄機(jī)器（transcriptional machinery）

6. 可以激活pol Ⅱ活性的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在TSS區(qū)域的上游或者下游，當(dāng)這些結(jié)合區(qū)域距離TSS比較近（±100bp）時(shí)，這些則被稱為近端和下游啟動(dòng)子（proximal and downstream promoters）；而當(dāng)這些區(qū)域距離較遠(yuǎn)（±100-10000bp）時(shí)，則稱為上下游增強(qiáng)子（up- and downstream enhancers）

7. 關(guān)于轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)距離TSS多遠(yuǎn)的距離可以發(fā)揮作用沒(méi)有明確的定義，因?yàn)樵诩?xì)胞中基因組并非二維線性的，還需要考慮染色質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。對(duì)于需要形成三維空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合區(qū)域可以長(zhǎng)達(dá)100,000bp的長(zhǎng)度，不同片段之間用絕緣子（insulator）間隔。

8. 基因座控制區(qū) LCR（locus control region）有許多增強(qiáng)子或隔離子等調(diào)控元件（順式作用元件）組成的DNA序列，具有穩(wěn)定染色質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)的功能，控制基因座的各個(gè)基因順序表達(dá)。

9. 針對(duì)全基因組上激活型轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基本上所有的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的地區(qū)距離TSS區(qū)域呈現(xiàn)為一個(gè)高斯分布模型。這也就是說(shuō)：激活型轉(zhuǎn)錄因子在TSS上下游分布呈現(xiàn)對(duì)稱性減弱。這打翻了過(guò)去對(duì)于promoter的定義（認(rèn)為promoter只存在于TSS的上游）

10. 由于編碼轉(zhuǎn)錄因子基因的區(qū)域同樣也可能會(huì)受到轉(zhuǎn)錄因子自身的調(diào)控，即自身調(diào)控，所以轉(zhuǎn)錄因子有時(shí)也被稱為反式作用因子（trans-acting factors）

4. 基因調(diào)控中的染色質(zhì)激活

1. 人類的染色質(zhì)結(jié)果如下圖所示：

• MBD：methyl-DNA-binding domain protein，甲基-CpG結(jié)合結(jié)構(gòu)域蛋白

1. 基因組上的DNA默認(rèn)是高度壓縮的，我們稱為closed chromatin，這種關(guān)閉狀態(tài)下的染色質(zhì)無(wú)法被TF所結(jié)合，因此這些關(guān)閉狀態(tài)的基因也是無(wú)法表達(dá)的。

2. 在有絲分裂中期時(shí)，染色質(zhì)處于關(guān)閉狀態(tài)的基因最多。而此種狀態(tài)也是在有絲分裂過(guò)程中也是最短的，因?yàn)榇藭r(shí)所有基因均不表達(dá)，無(wú)法針對(duì)外界環(huán)境刺激而做出反映。

3. 為了激活一個(gè)基因，在該基因的TSS的區(qū)域（即TF結(jié)合的區(qū)域）必須要打開(kāi)，能夠被TF所結(jié)合，這樣才能被激活，從而開(kāi)始轉(zhuǎn)錄過(guò)程。而染色質(zhì)的開(kāi)放主要被轉(zhuǎn)錄后修飾所促進(jìn)，尤其是H3和H4的賴氨酸（K）殘基。

4. 關(guān)閉狀態(tài)的染色質(zhì)主要是被甲基化修飾，但是也有附近有CpG島的基因。這些關(guān)閉染色質(zhì)包含的甲基化修飾可以吸引特殊的蛋白質(zhì)，例如異染色質(zhì)蛋白HP1（heterochromatin protein 1），甲基-CpG結(jié)合結(jié)構(gòu)域蛋白（MBD），多梳家族蛋白（Polycomb）。這些蛋白可以將染色質(zhì)進(jìn)行封閉，使其處于關(guān)閉狀態(tài)。

5. 將關(guān)閉染色質(zhì)打開(kāi)的過(guò)程，則是將這些染色質(zhì)關(guān)閉的修飾替換成激活的染色質(zhì)修飾marker，例如在賴氨酸（K）殘基上的乙?；?/strong>；在某些組蛋白殘基上的甲基化修飾等。

5. 基因表達(dá)程序

1. 由于基因表達(dá)在生命體中的重要作用，基因表達(dá)調(diào)控收到3個(gè)層次的調(diào)控影響：

• DNA code（DNA序列）：DNA序列包括兩部分，1是蛋白編碼基

• 因的序列，這決定的編碼蛋白的結(jié)構(gòu)成分；2是一些可以發(fā)揮調(diào)控作用的ncRNA序列。

• epigenetic code（組蛋白修飾及甲基化修飾）

• transcription factor（轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控）：目前已知的1900多個(gè)TF的超過(guò)百萬(wàn)的結(jié)合位點(diǎn)分布在整個(gè)基因組上。

1. 一個(gè)基因第一個(gè)外顯子的5'端通常認(rèn)為是TSS，雖然TSS沒(méi)有一個(gè)確定的序列，但是他們常常可以被TATA box-binding 蛋白（TBP）這種轉(zhuǎn)錄因子所結(jié)合，這些序列通常稱為TATA box，一般在30bp的長(zhǎng)度。

后記

第1章的內(nèi)容不算多，主要是一些基礎(chǔ)概念，不過(guò)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(shū)啦！