当前课程知识点:普通生物学 > 第二章 分子生物学基础 > 第二节 基因的表达调控 > 2.2.3 染色质的结构影响基因的转录
真核生物基因表达的调控包括
转录水平的调控
转录后水平也就是对前体mRNA
进行加工的调控
mRNA穿过核膜
向细胞质运输的调控
在细胞质中mRNA稳定性的被调节
以及mRNA的选择性降解
mRNA的选择性翻译以及翻译速度的调节
以及最后蛋白质产物的被修饰以及活化
真核细胞基因组是以染色质的形态存在
为了使得我们总长度约为1.8m的DNA
能够被装入一个直径只为7μm的细胞核中
DNA实际上是经过了4级
大约是8000倍左右的压缩
DNA首先要与组蛋白结合
形成染色质结构的基本单元核小体
核小体在电镜下
可以呈现出串珠的细丝样
这也就是染色质的一级结构
通过核小体DNA长度可以被压缩大约7倍
形成11nm长的纤维
但是我们在电镜下观察染色质
实际上是直径大约是30nm的纤维
这种纤维是由核小体串珠螺旋化形成
每6个核小体可以绕成一圈
形成外径长度为30nm
螺距为11nm的螺线管
长度可以压缩6倍
构成了染色体的二级结构
而30nm的染色质纤维会进一步形成
平均长度为300nm的loop结构
被称为超螺线管
这就是染色质的三级结构
而超螺线管进一步螺旋折叠
可以形成直径约为700nm的染色单体
构成了染色体的四级结构
真核生物中我们可以把染色体
分为常染色质和异染色质
两种不同的状态
又分别叫euchromatin和heterochromatin
常染色质
为间期细胞核内染色质压缩程度比较低
也可以看起来相对比较伸展的这个状态
而着色比较浅的这一部分染色质
而异染色质和相对于常染色质而言
它们是间期细胞核内
染色质压缩程度比较高
着色比较深的染色质
只有位于常染色质区域的基因
可以发生转录
位于异染色质区域的基因
它将会被沉默而不发生表达
所以染色质的结构
实际上对真核生物的基因表达
起到了一个总体的调控作用
为了实现基因的转录
RNA聚合酶它需要和启动子结合
那么如果启动子区域不存在核小体
那么这个裸露的启动子
就可以被RNA聚合酶所识别
从而结合上去形成转录的起始复合物
进行非常高水平的转录
然而 如果启动子是因为核小体的存在
而被封闭起来被缠绕在核小体上
那为了实现这一部分基因的转录
需要把这个区域的染色质进行重新组装
暴露出这个启动子区域
这样我们的RNA聚合酶才能够识别到
这个启动子的位置形成转录的复合物
才能够使得转录可以进行
那么为了克服这个问题
真核细胞是怎么样使得染色质的结构
发生变化的呢
使得染色质结构发生变化的主要方式
在真核细胞中分为两种
一种是发生在
和DNA相结合的这个蛋白
也就是组蛋白上的翻译后修饰
这也就是我们
常常听说过的histone modifications
另一种则是利用ATP酶而进行的
染色体重塑也叫chromatin remodeling
那么我们首先仔细的看一下
这个核小体的结构是什么样子的呢
核小体是由一小段DNA
大约长度为147个碱基
缠绕在一个组蛋白的八聚体上而构成的
在每个核小体中
它包含有四种不同的组蛋白
H3 H4 H2A和H2B
每一个不同的组蛋白都有两个拷贝
所以一共是八个蛋白组装在一起
如果我们去看一下组蛋白的这个结构
这四种不同的组蛋白
它们都会分成两个部分
一个是没有一个固定结构的N端的尾巴
而以及另外一个实际上是可以
折叠成一个固定结构的中心区域
而八个组蛋白最后形成的中心区域
它就最后成为了可以被
DNA缠绕在上面的这个盘状的结构
那么它的N端的没有结构的
这个尾巴实际上是可以从
被DNA缠绕的中间延展出去
而你可以想象
在核小体这个核形成的中间
有一些蛋白实际上是生长在外面的
那么它们就可以成为很多很多的蛋白酶
识别的主要目标
核小体的结构早在1997年就获得了解析
而染色质30nm纤维的结构
实际上最近才由我国生物物理学家的老师
利用冷冻电镜而获得的
我们看了核小体的结构
我们知道组蛋白上有很多
各种不同的修饰
组蛋白上修饰主要包括有乙酰化
甲基化 磷酸化等等
其中乙酰化是最早被发现的组蛋白修饰
而在发现以后到找到
对组蛋白进行这个修饰的酶实际上是
花了相当长的时间
就是修饰组蛋白上面乙酰化的这个酶
而1996年由洛克菲勒大学的
David Allis实验室首先获得的
它们通过生化分离和醇化获得了这个酶
然后对它进行研究
而它们这个研究也从此引起了
整个生物学界对组蛋白修饰的热点研究
为什么呢 大家可以想象
因为组蛋白它和DNA缠绕在一起
不仅仅是一个结构蛋白
它上面有修饰
它的修饰具有非常重要的功能
它的任何的结构的变化
都可以影响到DNA的功能
而至今为止 我们已经发现了几十种
不同的组蛋白修饰
它们很多这样的修饰
都和乙酰化是一样的
是发生在组蛋白上的
赖氨酸残基lysine上面
而甲基化除了可以发生在lysine上面之外
还可以发生在精氨酸arginine上面
而磷酸化我们都比较熟知的
它不仅仅在组蛋白上发生
在很多蛋白上也发生
它只发生在丝氨酸serine
和苏氨酸threonine以及酪氨酸tyrosine上面
等这些带有羟基的氨基酸残基上面
那么我们知道了
组蛋白上它们有这么多的修饰
那接下来的一个问题就很明显
就是为什么组蛋白上的这些修饰
它们可以导致染色质形态的改变呢
一个非常直观的想法是
因为通过对这些氨基酸残基的修饰
影响了组蛋白和DNA之间的相互作用
这个可以拿乙酰化作为一个典型的例子
因为赖氨酸残基上添加了乙酰基团以后
使得DNA在组蛋白上面缠绕就会变得松散
从而导致了核小体的结构
不再是那么稳定了
当核小体的结构不是那么稳定的时候
核小体的形成和解体之间的平衡
就会偏向于解体
从而使得原本带有核小体的
这部分染色质区域会发生结构的变化
影响到了最后整个形态的变化
使得转录因子以及RNA聚合酶
可以有机会结合到
因为核小体解体而暴露出来的
这部分DNA上去
从而最终导致了该部分DNA中所包含的
基因可以发生转录
与此类似如果组蛋白上发生的这个修饰
可以使得染色体的结构更加致密
或者使得原本的常染色质
变成了异染色质
那么这个区域的基因就会从表达
而转变成为沉默过程使得不再发生表达
除了通过改变染色质的形态
而调节基因的表达外
组蛋白上的修饰还可以改变
组蛋白的表面结构
使其它调控蛋白易于和染色质接触
间接的影响了转录的活性
举一个例子就说人或小鼠等
哺乳类动物细胞中的组蛋白
H3上面第9号赖氨酸的甲基化
第9号赖氨酸的甲基化
被认为是一个基因沉默的标记
它原因在于当这个位点
发生了甲基化以后
而和异染色质形成相关的一个蛋白
我们叫HP1或者异染色质蛋白1
它会识别这个甲基化位点
而HP1是介导基因沉默的一个重要分子
它的结合将告诉细胞
说这个位点上面的染色质
我们将发生高度的压缩
抑制其它转录因子的结合
最后形成一个异染色质区域
除了组蛋白的翻译后修饰外
在各种真核细胞中还存在着另外一种
对染色质区域结构进行改变的机制
那就是染色质重塑
这也是一个非常常见的过程
在这个过程中需要特殊的功能蛋白
这一类蛋白都被称通为
染色质重塑复合体
或者叫chromatin remodeling complex
这个complex往往会包括很多种不同的蛋白
染色体重塑复合体的主要功能
是对特定区域的染色质结构进行改变
包括将原本高度浓缩的染色体
变得打开变得较为松散
而有利于其它因子的结合
以及将原本在特定染色质区域上
核小体排布是按这种有规则的排布
它们的作用可以使得核小体
在这段DNA上的排布发生一些位移
使得一边的DNA被打开
一边的DNA变得核小体的数目变多了
所以染色质重塑的直接结果
就是使得原本无法结合到
蛋白因子的这部分DNA可以被暴露出来
把这个结合点暴露出来
使得这些蛋白因子可以有机会
在上面发生作用
而染色体的重塑过程是需要消耗能量的
所需要的能量是由染色体
重塑复合物中的ATP酶
来催化ATP水解而提供的
染色质结构的变化它是可以遗传的
这也是近年来
表观遗传学研究的一个重要方面
表观遗传学
是相对遗传学而命名的一个新兴学科
它是指在不改变DNA序列的前提下
我们可以通过
或者细胞可以通过某一些特定的机制
引起一些可遗传的基因表达
或者细胞表型的变化
表观遗传学中的非DNA序列遗传信息
实际上包括DNA的甲基化 组蛋白的修饰
非编码RNA 小RNA等等
其中很多很多的机制
到目前来说还是非常不清楚的
就在差不多十年前
人们还都认为组蛋白上面的的甲基化
它是一个非常稳定的遗传标记
直到目前在Harvard大学的施洋教授
他们第一次寻找到了
这个组蛋白上的去甲基化酶
所以 我们目前所认为的这些信息
也许在未来的研究中都会被进行修正
也许在你们当中就会有人
以后将对表观遗传学进行研究
并且提供新的一些机制
这也是我非常乐意能够看到的
-绪论
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-人物访谈——走进精准医学
-第一节 细胞概述
-第一章 细胞生物学基础--第一节 细胞概述
-第二节 细胞膜与物质的跨膜运输
-第一章 细胞生物学基础--第二节 细胞膜与物质的跨膜运输
-第三节 真核细胞的结构
-第一章 细胞生物学基础--第三节 真核细胞的结构
-第四节 细胞的能量代谢
-第一章 细胞生物学基础--第四节 细胞的能量代谢
-第五节 细胞的分裂与分化
-第一章 细胞生物学基础--第五节 细胞的分裂与分化
-第一节 遗传的分子基础
-第二章 分子生物学基础--第一节 遗传的分子基础
-第二节 基因的表达调控
-第二章 分子生物学基础--第二节 基因的表达调控
-第三节 生物技术及其应用
-第二章 分子生物学基础--第三节 生物技术及其应用
-第四节 人类基因组及其遗传疾病
-第二章 分子生物学基础--第四节 人类基因组及其遗传疾病
-第一节 高等植物体的细胞与组织
-第三章第一节 高等植物体的细胞与组织
-第二节 植物的生长
-第三章 高等植物体的结构与功能--第二节 植物的生长
-第三节 植物的生殖和发育
-第三章 高等植物体的结构与功能--第三节 植物的生殖和发育
-第四节 植物的营养与运输
-第三章 高等植物体的结构与功能--第四节 植物的营养与运输
-第五节 植物生长发育的调控
--3.5.6 乙烯
-第三章 高等植物体的结构与功能--第五节 植物生长发育的调控
-第一节 动物的组织
--4.1.5 软骨
--4.1.6 硬骨
--4.1.7 血液
-第一节 动物的组织--作业
-第二节 消化系统
-第四章 高等动物体的结构与功能--第二节 消化系统
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-第三节 呼吸系统--作业
-第四节 循环系统
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-第四章 高等动物体的结构与功能--第五节 内环境的控制
-第六节 内分泌系统
-第四章 高等动物体的结构与功能--第六节 内分泌系统
-第七节 神经系统与神经调节
-第四章 高等动物体的结构与功能--第七节 神经系统与神经调节
-第八节 生殖与胚胎发育
-第四章 高等动物体的结构与功能--第八节 生殖与胚胎发育
-2020年秋季学期普通生物学期中考试