分子生物学 第 7 章 第 3 节：真核基因表达的染色质修饰和表观遗传调控

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基因的表达调控：发生在转录之前的、染色质水平上的结构调整，主要包括 DNA 修饰和组蛋白修饰两个方面

真核生物表观遗传调控的种类

  1. DNA 水平调控
  2. DNA 甲基化 DNA 修饰
  3. 组蛋白乙酰化 组蛋白修饰
  4. 组蛋白甲基化 组蛋白修饰
  5. RNA 水平修饰 $m^6A$

7.3.1 DNA 水平调控

[!IMPORTANT] 在个体发育过程中，用来合成 RNA 的 DNA 模版（外显子）也会发生规律性变化，从而调控基因表达和生物体的发育

[!CAUTION] ⚠️ 注意：在这一过程中，基因组发生了改变（而在转录及翻译水平的调控中，基因组未改变）

  • 高度重复基因的形成通常与个体分化阶段 DNA 的某些变化有关

a）“开放”型活性染色质 active chromatin 结构对转录的影响

  • 真核基因的活跃转录是在常染色质上进行的

[!NOTE] 辨析｜常染色质与异染色质

  • 常染色质：压缩程度低，处于伸展状态，碱性染料着色浅
  • 异染色质：碱性染料着色深
  • 活跃表达基因所在的染色质上一般含有一个或数个 DNA 酶 I 超敏感位点 hypersensitive site，大多位于 5' 端启动区（非活性态基因则无）
  • 灯刷染色体上的环形结构可能与基因的活性转录有关

[!TIP] 灯刷染色体

  • 是染色体充分伸展时的一种形态
  • 只有在两栖类动物卵细胞发生减数分裂时才能被观察到。此时，两对姐妹染色体常常通过“交叉点” chiasmata 连成一体
  • 详细参看：🔍 《五年本科 三年细胞》相关条目

b）基因扩增

  • 基因扩增：是指某些基因的拷贝数专一性大量增加的现象，是基因活性调控的一种方式
  • 生物学意义：使细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要

c）基因重排

  • 基因重排：将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点，从而启动转录

[!TIP] 举例｜基因重排 免疫球蛋白结构基因和 T 细胞受体基因的表达

  • 编码产生免疫球蛋白的细胞发育分化时，通过染色体内 DNA 重组把 4 个相隔较远的基因片段连接在一起，从而产生了具有表达活性的免疫球蛋白基因

7.3.2 DNA 甲基化

DNA 甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达

  • CpG 二核苷酸胞嘧啶的甲基化导致了人体 1/3 以上由于碱基转换而引起的遗传病

[!NOTE] CpG 岛

  • C：胞嘧啶
  • p：磷酸
  • G：鸟嘌呤

CpG 岛主要位于基因的启动子和外显子区域，富含 CpG 二核苷酸，常出现在真核生物编码基因的调控区 CpG 二核苷酸序列中，C 通常是甲基化的，极易自发脱氨，生成 T，故 CpG 出现的频率远低于计算值

DNA 甲基化修饰现象广泛存在

  • 染色体水平上：DNA 甲基化在着丝粒附近水平最高
  • 基因水平上：DNA 甲基化高水平区域涵盖了多数的转座子、假基因和 miRNA

[!TIP] 甲基化对长度较短的基因有更强的转录调控能力

  • DNA 甲基化导致某些区域 DNA 构象变化，从而影响了蛋白质与 DNA 的相互作用，抑制了转录因子与启动区 DNA 的结合效率
graph TD 
	subgraph 初始触发 
		A[DNA甲基化发生在CCGG序列<br/>（CpG岛表观修饰）] 
		B[组蛋白H1通过linker区域<br/>特异性识别甲基化位点] 
	end 
	
	subgraph 结构重塑 
		C["B-DNA → Z-DNA构象转变<br/>（触发机制：H1结合引发局部扭曲/甲基化削弱静电排斥）"] 
		D[Z-DNA特性：<br/>• 左手螺旋<br/>• 螺距缩短至3.7Å<br/>• 大沟深度增加] 
	end 
	
	subgraph 空间效应 
		E["顺式作用元件：<br/>启动子/增强子/转录因子结合位点<br/>陷入大沟深处"] 
		F[大沟遮蔽效应：<br/>• 转录因子无法识别结合序列<br/>• RNA聚合酶Ⅱ无法锚定] 
	end 
	
	subgraph 表观调控 
		G[染色质高阶结构压缩：<br/>核小体间距缩短30-50nm] 
		H[形成异染色质区域：<br/>HP1蛋白募集/组蛋白去乙酰化] 
	end 
	A -->|表观标记| B 
	B -->|构象锁定| C 
	C -->|碱基对翻转| D 
	D -->|几何约束| E 
	E -->|物理遮蔽| F 
	F -->|协同作用| G 
	G -->|三维压缩| H
	 H --> I[基因转录抑制<br/>（沉默效率提升5-10倍）] 
	 
	 style A fill:#f9d5e5,stroke:#c90076 
	 style B fill:#e3e1f5,stroke:#3025af 
	 style C fill:#d4efdf,stroke:#1d5c1f 
	 style I fill:#fadbd8,stroke:#922b21

复习 DNA 构象👉 🔗 [[MMB 02-2 DNA 的结构#2.2.2 DNA 的二级结构]]

7.3.3 组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化可以提高基因转录的活性

复习组蛋白 👉 🔗 [[MMB 02-1 染色体#组蛋白]]

  • 核心组蛋白朝向外部的 N 端部分被称为“尾巴”（上面有许多高度修饰的位点），可被组蛋白乙酰基转移酶 histone acetyltransferase，HAT 和组蛋白去乙酰化酶 histone deacetylase，HDAC 修饰，加上或去掉乙酰基团
  • 组蛋白 N 端尾巴上 Lys 残基的乙酰化中和了组蛋白尾巴的正电荷，降低了其与 DNA 的亲和性，导致核小体构象发生有利于转录调节蛋白与染色质相结合的变化，从而提高了基因转录的活性

[!NOTE] 视网膜母细胞瘤蛋白Rb抑癌机理

  • Rb 与 E2F 类转录激活因子相结合，使得参与细胞周期调控的靶基因去乙酰化，降低转录活性

7.3.4 组蛋白甲基化

  • H3K9me3 标记通常与异染色质化有关（抑制转录）
  • H3K27me3 标记通常与抑制基因表达有关
  • H3K4me3 标记常被视为转录活化区的标记

[!TIP] 组蛋白甲基化举例

  1. 动物雌性中随机失活的一条 X 染色体上有很高水平的 H3K27me3 修饰（非组成型异染色质化）
  2. 母细胞分裂出子细胞时，母细胞染色质具有的特定表观遗传修饰会在子细胞 DNA 的相同位置重现（表观遗传修饰）
  • 组蛋白上 Lys 和 His 残基可被甲基化修饰
  • 同一个去甲基化酶可以形式转录激活和转录抑制两种相反的功能，视与其合作的因子而定

7.3.5 RNA 水平修饰

  • $N6$ -甲基腺苷化修饰（$m6A$）是 mRNA 上较为常见的一种 RNA 修饰方式，知道是 mRNA 中腺嘌呤（A）第六位氮原子（$N^6$）上的甲基化修饰（m）
  • $m^6A$ 特点：
    1. 不容易受化学修饰
    2. 不会影响 RNA 中基本的碱基配对能力
  • $m^6A$ 是一个动态的修饰过程，也是一个可逆的过程
  • $m^6A$ 能够调控基因表达，且这一表达机制被扰乱时往往会导致人类疾病的产生
  • 大多数 $m^6A$ 修饰发生在外显子区域，剪接完成后仍然会保留在成熟的 mRNA 上，也可能会影响 mRNA 转录物的翻译

[!NOTE] $m^6A$ 调控基因表达需要的基本组分

  1. 甲基化转移酶 writer ：将修饰信息写入 mRNA
  2. 去甲基化酶 eraser ：将修饰信息擦除
  3. 甲基化阅读蛋白 reader ：阅读 $m^6A$ 修饰信息