5.19: 染色质位置影响基因表达

Chromatin Position Affects Gene Expression
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Molecular Biology
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Chromatin Position Affects Gene Expression
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November 23, 2020

Overview

染色质是包装在细胞核内的 DNA 和蛋白质的巨大复合物。染色质折叠的复杂性及其在细胞核内的包装方式极大地影响了对遗传信息的获取。通常,细胞核的外围被认为是转录抑制的,而细胞的内部被认为是转录活跃的区域。

拓扑关联结构域 (TAD)

染色质在细胞核中的 3 维定位会影响真核生物中基因表达的时间和水平。例如,基因启动子在物理上与其调节 DNA 元件(如增强子)分开组织。这些启动子-增强子元件需要聚集在一起才能进行基因表达。每个染色单体都包含几个这样的相互作用单元,称为拓扑相关结构域 (TAD)。在某些情况下,来自两个染色单体的 TAD 也可能相互相互作用。

染色体区域 (CT)

几个 TAD 积累形成染色体区域 (CT)。这些空间布局和分布使细胞核成为具有不同生化活性的异质体。基因在 CT 内的位置和 CT 本身的定位都会影响基因表达。在人类中,主动转录的基因倾向于定位于 CT 的外围,非编码基因倾向于定位于 CT 内部。例如,在人类女性羊水细胞核中,ANT2 基因位于失活的 X 染色体上。当 ANT2 基因定位于 CT 外围时,它会导致其活性转录。

染色质在细胞核内动态重新定位。即使是不能再分裂的终末分化细胞也表现出染色质或基因重新定位。这意味着重新定位不是一个随机事件,而是一个协调的分子机制。

Transcript

基因表达在多个水平上受到调节,从转录起始开始,一直到成熟 mRNA 翻译成功能性蛋白。

然而,并非所有基因表达和调节所需的酶在细胞核中均等分布。相反,它们仅限于空间定义的病灶。这导致细胞核中不重叠的”区域”,具有特定的生化活性。

例如,存在于 13、14、15、21 和 22 号染色体上的编码核糖体 RNA 的基因(也称为核仁组织区域)聚集在核仁 – 细胞的核糖体形成部位。

这意味着染色质可以重新定位到这种功能不同的病灶,以实现协调基因表达和调节。

然而,染色质也可以延伸到其领土之外,形成一个可以改变基因表达模式的扩展环。

例如,人类基因 CFTR 位于细胞的核外围,在那里它是沉默的。然而,在表达该基因的细胞中,包含该区域的染色质被重新定位到内部。

大多数真核细胞具有多个具有不同长度和压缩比的染色质纤维。因此,染色质定位还取决于其在细胞核内包装的物理限制。

在具有球形细胞核的细胞(如淋巴细胞)中,染色质呈放射状位置,活性表达的基因朝向内部,而被抑制的基因位于外围。

在具有非球形细胞核的细胞(例如成纤维细胞)中,较短的染色质纤维往往占据内部位置,而较长的染色质纤维位于细胞核的外围。

染色质重新定位也与不同类型的癌症有关,其中由于染色质重新定位而导致的基因表达模式改变可导致肿瘤形成。例如,在宫颈癌和结肠癌的发展中观察到 18 号染色体从核外围向内部的重新定位。

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