有關(guān)基因表達(dá)調(diào)控中負(fù)調(diào)控元件
——沉默子概述

班章怡

河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 河南 開封 475004

1 引言

基因表達(dá)在真核生物中可以按照一定時(shí)間程序發(fā)生改變,而且隨著內(nèi)外環(huán)境條件的變化而加以調(diào)整。也就是指基因受到時(shí)序調(diào)節(jié),也受到細(xì)胞空間位置的調(diào)節(jié)。真核生物基因表達(dá)也可在不同表達(dá)水平上加以精確調(diào)節(jié),這種在不同水平上進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī)制稱為多級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

真核基因的表達(dá)調(diào)控是一個(gè)非常復(fù)雜和協(xié)調(diào)的過程,而轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控是基因表達(dá)中非常重要的一環(huán)。在轉(zhuǎn)錄水平方面,基因主要受順式作用元件和反式作用因子的互相作用進(jìn)行表述。順式作用元件是指與結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)的特定DNA序列,所述結(jié)構(gòu)基因是轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)。它們通過與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合來調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的精確啟動(dòng)和轉(zhuǎn)錄效率。

2 沉默子

2.1 沉默子的概述 在遺傳學(xué)中,沉默子是一段能夠結(jié)合轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的DNA序列,沉默子所結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子為阻遏蛋白,會(huì)抑制DNA的轉(zhuǎn)錄過程。隨著基因組測(cè)序的發(fā)展和對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的深入研究,越來越多的沉默子被發(fā)現(xiàn)。這些沉默子既存在一定程度的相似性,又具有一定的區(qū)別,它們?cè)谶z傳工程和癌癥治療等方面具有很大的應(yīng)用前景[1]。

2.2 沉默子的發(fā)現(xiàn) 最早發(fā)現(xiàn)而且被廣泛研究的沉默子是釀酒酵母沉默接合型座位沉默子。單倍體釀酒酵母有a和α兩種接合型,由染色體Ⅲ上MAT座位中的基因控制:當(dāng)該座位是MATα?xí)r,接合型是α;當(dāng)該座位是MATa時(shí),接合型為a。控制不同接合型的遺傳信息存在于MAT基因左右兩側(cè)的HMLα和HMRa座位中。雖然這兩個(gè)座位分別含有α和a基因的完整拷貝及它們各自的啟動(dòng)子,但通常保持沉默不被轉(zhuǎn)錄,這對(duì)于單倍體酵母表現(xiàn)出正常的接合行為是必要的,否則將導(dǎo)致不育。

2.3 沉默子的特征 生物體的基因組存在大量的調(diào)控序列,沉默子是其中一類抑制基因表達(dá)的調(diào)控元件。沉默子具有如下的特性:(1)一些沉默子元件可以在遠(yuǎn)距離作用于順式連接的啟動(dòng)子;(2)不同的沉默子具有不同的特點(diǎn),一部分沉默子對(duì)基因表達(dá)的阻遏作用沒有方向和位置的限制,但也有部分沉默子具有方向依賴性和位置依賴性;(3)強(qiáng)沉默子元件富含CT的基序通常以多個(gè)拷貝的形式存在。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的沉默子中,有的沉默子既不具有啟動(dòng)子特異性和細(xì)胞特異性,也不具有位置依賴性和方向依賴性。研究發(fā)現(xiàn),鼠B29基因啟動(dòng)子5'端的DNA序列抑制B29啟動(dòng)子活性,這表明該區(qū)域可能含有沉默元件。進(jìn)一步研究顯示,該區(qū)域存在兩個(gè)相鄰的沉默子元件,兩者以位置和方向不依賴的方式抑制鼠B29啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄,同時(shí)這兩個(gè)沉默子也能在B細(xì)胞和T細(xì)胞中抑制幾種異源啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄,表明它們不是B細(xì)胞特異性元件[2]。

沉默子元件中大多數(shù)的作用方式與位置和方向無關(guān),但也有某些沉默子對(duì)位置與方向表現(xiàn)出不同程度的敏感性。bcl-2基因產(chǎn)物是一種線粒體膜蛋白,可作為細(xì)胞凋亡的抑制因子。在bcl-2基因5'端的非翻譯區(qū)中鑒定出一個(gè)負(fù)調(diào)控元件,瞬時(shí)表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,將這個(gè)負(fù)調(diào)控元件片段插入P1啟動(dòng)子下游約2.4 kb處,不影響啟動(dòng)子的活性,說明該負(fù)調(diào)控元件以位置依賴性方式影響bcl-2 P1啟動(dòng)子的表達(dá)[3]。有的沉默子的作用方式具有組織特異性,如位于雞β-珠蛋白基因簇上游的DNA片段,該沉默子元件僅在CTCF識(shí)別位點(diǎn)未甲基化的紅細(xì)胞中有活,在淋巴細(xì)胞和其他非紅細(xì)胞中則不具有活性[5]。

2.4 沉默子的結(jié)構(gòu)組成 目前的研究顯示沉默子沒有特定的結(jié)構(gòu)或保守基序,它是由多個(gè)遺傳元件或組件構(gòu)成,即沉默子可以被分解為更小的組件。它們可能是一段有特異性抑制蛋白結(jié)合位點(diǎn)的核酸序列;可能是一個(gè)含有多個(gè)調(diào)控元件的復(fù)雜區(qū)域;或者是一種特殊的DNA構(gòu)象。

2.5 沉默子的作用機(jī)制 類比增強(qiáng)子的作用機(jī)制,有學(xué)者對(duì)沉默子發(fā)揮作用的原理提出了環(huán)出模型:沉默子區(qū)域與相互作用的蛋白結(jié)合后,形成類似DNA環(huán)狀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可能與啟動(dòng)子作用從而破壞起始復(fù)合物最終抑制轉(zhuǎn)錄;另一種可能是產(chǎn)生的DNA環(huán)發(fā)生了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化或者組蛋白的修飾,這種變化使得關(guān)鍵性轉(zhuǎn)錄因子不能與特定的序列正確結(jié)合進(jìn)而阻止轉(zhuǎn)錄過程的進(jìn)行。

阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)存在于沉默子序列中,阻遏蛋白和該位點(diǎn)結(jié)合后抑制了基因的轉(zhuǎn)錄。通過特殊DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成與解除從而調(diào)控基因的表達(dá),被其他堿基間隔的連續(xù)幾個(gè)鳥苷酸組成的重復(fù)核酸鏈能自發(fā)地形成一種稱G-四鏈體的四鏈螺旋結(jié)構(gòu),4個(gè)鳥苷酸通過氫鍵形成G-四聯(lián)體,多個(gè)平面的G-四聯(lián)體堆積形成G-四鏈體(G4)。許多的基因組序列分析顯示,在人類、細(xì)菌和病毒的基因組中富含能形成G4結(jié)構(gòu)的模序,該模序主要定位于基因組中重要調(diào)控作用的位點(diǎn),比如端粒、DNA復(fù)制原點(diǎn)、啟動(dòng)子等區(qū)域,證據(jù)顯示,在真實(shí)的細(xì)胞環(huán)境下能形成G4結(jié)構(gòu),并且有特異的蛋白質(zhì)與其相互作用,說明G4結(jié)構(gòu)參與DNA的復(fù)制、端粒的維持以及基因的表達(dá)調(diào)控等生物過程[3]。

2.6 沉默子的分類 根據(jù)沉默機(jī)制,沉默子可分為兩種不同類型:一種是相對(duì)短的,與位置無關(guān)的基序,通過它們結(jié)合的阻遏蛋白干擾轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物PIC的組裝,這種被稱為沉默子元件;另一種在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)TSS的上游和下游以及內(nèi)含子和外顯子內(nèi)發(fā)現(xiàn),通過形成一定的空間位阻進(jìn)而阻止轉(zhuǎn)錄因子與其各自的順式調(diào)控基序的結(jié)合且具有位置依賴性,被稱為負(fù)調(diào)控元件NRE。

2.7 沉默子的應(yīng)用前景 近幾十年來,對(duì)順式調(diào)控元件及其功能的深入研究積累了豐富的有關(guān)基因表達(dá)調(diào)控的知識(shí),為生產(chǎn)實(shí)踐中利用順式調(diào)控元件打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。人們可以利用啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、絕緣子等元件構(gòu)建人工表達(dá)盒,精確地調(diào)控目的基因的表達(dá),廣泛地應(yīng)用于重組蛋白表達(dá)、轉(zhuǎn)基因以及基因治療等方面[4]。雖然對(duì)沉默子的研究相對(duì)滯后,但近年來的研究表明,沉默子作為一種基因表達(dá)的負(fù)調(diào)控元件在遺傳工程及人類疾病治療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語(yǔ)

沉默子是一種具有特定功能的核酸序列,它通過與細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子相互作用或者干擾控制轉(zhuǎn)錄進(jìn)程中的特殊信號(hào)發(fā)揮其負(fù)調(diào)控的作用,可作為人類疾病治療的靶點(diǎn)。對(duì)深入了解基因的表達(dá)調(diào)控以及利用沉默子為人類服務(wù)具有重要的意義。