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创世纪的染色质和转录动力学

Cell杂志发表题为“Genesis of Chromatin and Transcription Dynamics in the Origin of Species”的文章,总结介绍了自物种起源以来,我们对于染色质以及转录过程动力学的了解,尤其是那些染色质结构上的ATP依赖性酶,以及TATA结合蛋白活性。这些知识帮助研究人员理清了分析转录调控进化,和染色质动力学进化未来的研究方向。


组蛋白能帮助古细菌和真核生物维持其基因组的紧凑性和稳定性,形成类似核小体之类的结构也能调控DNA结合转录调控元件,以及顺式调控DNA元件的作用方式。不同类型的蛋白,比如ATP依赖性重塑酶能促进组蛋白与转录因子之间的动态竞争,从而调控染色质的组装,结合以及编辑。


“模式生物DNA元件百科全书”


2003年美国启动了ENCODE计划(ENCyclopedia Of DNA Elements),主要目的是建立人类基因组中生物功能关键性元素目录。2007年美国国家人类基因组研究协会(NHGRI)又拨款5千7百万美元,资助建立在ENCODE计划基础上的modENCODE计划,即model organism ENCODE (modENCODE) Project——模式动物“生命百科全书”项目。


在后一个项目中,研究人员公布了三大物种(人类和两种模式生物果蝇及线虫)中染色质的组织机制以及它对于基因调控的影响,他们比较了细胞访问内部DNA必需的染色质修饰模式,以及这些修饰所导致的DNA复制模式的改变。研究人员发现三个物种中具有许多相似的染色质特征。


同时研究人员也探究了基因组调控的相似之处。科学家们将焦点放到了一些转录调控因子上。这些关键的蛋白质调控因子决定了哪些祖细胞最终会变为皮肤细胞、肾细胞和眼细胞。研究人员发现,一些转录因子往往结合到三个物种基因组中一些相似的DNA序列上,表明了关于调控信息在基因组中的排布方式,有一些普遍特性保守存在于三大物种中。总体调控原则或多或少相似。


研究人员也发现这些物种具有许多共同的关键基因组过程,反映出它们具有共同的祖先。还详细地描述了三大物种利用蛋白质包装将DNA压缩到细胞核中去,以及通过控制对DNA的访问来控制基因组功能的一些相似途径。新研究提供了关于胚胎发育、基因调控和其他生物过程的一些新认识,对于了解人类的生物学和疾病至关重要。


X射线晶体技术


大约100年前,在英格兰北部,一对父子进行了一项实验,和科学史上的很多实验一样,尽管这对父子的初衷并非如此,但这项实验却彻底改变了科学家们研究分子的方式。随后,不断有科学家们对这一方法进行修改,精炼,使其日臻完善。但不管面貌如何改变,其始终是科学研究中最重要的工具之一,她就是X射线晶体技术。


利用X射线晶体技术,科学家们解析了不少染色质与转录调控的关键过程,如一组研究人员发现去组装CRC(disassembly CRCs)的侧面总是有一个‘开关’能抑制其活性,除非遇到一个可以定位在核小体上的标记序列。这个标记翻转了这个抑制开关,从而CRC能令DNA链沿着核小体围绕弯曲,促进基因表达,沉默基因。


一些CRC在某些细胞进程中能作为马达,解开DNA链区域,使得这些基因激活,还有另一种类型称为组装CRC(assembly CRCs),则作用相反,在这一细胞进程完成后,能将DNA链重新包装起来。这种解开-再包装的重复循环过程贯穿了细胞整个生命周期。


这项研究改变未来研究的方向,即要想了解CRC如何被调控的,不是要去找CRC马达本身,而是要去找马达两侧的一种“开关”。这项研究还指出了CRC的测量功能:检测一个核小体与另外一个核小体之间的正确距离,这个功能能告诉马达在合适的时间上关闭,这对于基因沉默来说十分重要。


原文链接:Genesis of Chromatin and Transcription Dynamics in the Origin of Species


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