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细胞核结构的调控

点击： 作者：51protocol收集 来源： 时间： 2007-06-02 　本站论坛

美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室消息称：其生命科学部的研究者Gary Karpen 和 Jamy Peng发现了果蝇有两条调控核仁及其他细胞核结构、保持基因稳定性的路径。结果发表在《自然细胞生物》在线版，可付费阅览。

因为果蝇和人类有很多基因是共同的，因此了解果蝇的细胞核调控有助于认识人类的疾病如先天性疾病，或癌症。细胞核结构的调控对基因表达的时间及方式等重要功能有深远的影响。其结构紊乱则导致基因变异的累积，如DNA序列的重复，甚至一条多余的染色体。
“下一步研究是理解人类基因稳定性的调节方式”，Karpen说，他同时是伯克利实验到基因和计算生物学主任（由国家人类基因研究所，国家癌症研究所，和能源部资助），及加尼福利亚大学伯克利分校分子和细胞生物学的副教授。

异染色质的外遗传学特点
通过细胞核的结构及空间构型的重组来调控细胞及生物的功能，称为外遗传学（epigenetics），其中epi在希腊文中是“上面，外面”的意思，也就是说外遗传学研究的不是对DNA序列的改变，而是对染色质的调整，如基因沉默，染色体继承等等。Karpen 和 Peng发现了调控异染色质两个重要功能的分子路径。
路径之一在异染色质的内部及外部调控DNA重复序列，另一路径则调节核仁的结构，核仁位于细胞核深部，异染色质的特定部位，由重复300至400次的大基因组成，其产物是核糖体，而核糖体是将信使RNA所携带的遗传信息转化为蛋白质的分子机器。
“关于核仁的结构调控的研究是首次细胞器水平的报道”，Karpen说，“虽然细胞生物学对染色质的总体结构和细胞核的组成了解得很清楚，但对细胞核的结构的调节的认识才刚刚开始。”
所有细胞核的最显著的特点就是染色体，由DNA和组蛋白所组成的染色质构成，DNA环绕由4个相似的组蛋白分子结合而形成的柱状的芯上，从而形成核小体，核小体之间由连续的DNA链连接，形成串珠样结构，进一步盘曲形成常染色质或异染色质。
大多数基因位于常染色质，结构相对疏松，DNA易被转录。而异染色质结构致密，所含基因很少，其中的大部份DNA，包括大量的短的重复序列，并不编码蛋白质。
异染色质总是出现在染色体的末端，与端粒相邻。端粒随着细胞的分裂而变短，从而限制细胞分裂的次数。异染色质也出现在着丝点，着丝点位于染色体的中部，在细胞分裂时使染色体的分开。而异染色质其他的功能尚未明了。
即使是外遗传学最终也归于基因；研究者的第一步是确认哪些基因影响了异染色质的组成，然后找出这些基因编码的蛋白，最后探索这些蛋白是怎样影响染色质的。
路径上的阶梯
既往发现了果蝇的数个基因，如花斑抑制基因（suppressors of variegation，Su(var)）能抑制基因的表达。Su(var)3-9蛋白可以对核小体的某些组蛋白进行化学修饰，如将甲基加在组蛋白H3的第9个氨基酸（赖氨酸）残基上，该残基又称为H3K9（K代表赖氨酸）。染色质的甲基化使其盘曲，结构变致密。Su(var)2-5蛋白，使HP1蛋白与甲基化H3K9及Su(var)3-9的复合体结合，使染色质进一步致密化，其中的DNA被关闭，基因不被转录。

另一方面，果蝇的E(var)s基因则促进花斑形成。其作用方式之一是使H3组蛋白的第4个氨基酸（也是赖氨酸）残基乙酰化，使染色质在这一部位被打开，而DNA变得易于接近。

“H3K4的乙酰化和H3K9的去甲基化使基因活化；而H3K4去乙酰化和H3K9的甲基化则使基因沉默，” Karpen讲解道，“对多部位的组蛋白的多重调节是改变染色质功能的主要因素，并与DNA的序列无关”
Karpen 和 Peng研究了Su(var)3-9基因突变的果蝇，得出了惊人的结果。Su(var)3-9基因突变引起核糖体DNA基因大量扩增，与其他重复的DNA序列一起无序地满布于细胞核中，细胞中出现了多个核仁，而正常状态是单个形态完好的核仁，其中的核糖体DNA整齐地排列在异染色质上。

由干扰RNA(RNAi)引起的另一形式的突变也产生了类似的结果。RNAi过程中，Dicer-2酶被活化，将RNA链切成小片断，进而降解信使RNA，阻止蛋白质的表达。

Karpen说“RNAi是针对病毒DNA和DNA转座子的一类防卫系统”，转座子是一类DNA片断，能“跳”到基因中不同的地方，其方式有两种，直接跳过去，或先自我复制，将复制本插入另外的序列中，从而引起突变。
“因此短的DNA重复片断不停地自我复制，可以想象，它们最终扩展并占据整个基因”，Karpen说，“因此，一定有某种调节机制，以便使复制及抑制复制两方面的功能保持平衡。”因为DNA片断借助RNA而自我复制，因此可以用RNA干扰来阻断。转座子也可能因为落入非转录的异染色质而不表达，因此，Karpen把异染色质称为“转座子的坟墓”。

编码Dicer-2酶的基因dcr-2在RNAi路径中起关键作用，而RNAi也能作用于H3K9甲基化，因此，不出所料，Karpen 和 Peng发现dcr-2突变的果蝇也出现出多个核仁及异染色质失调的其他表现，如同Su(var)3-9突变的结果一样。

调控方式
Su(var)3-9及RNAi突变都使染色体外DNA数量增加，其外观是细胞核中小的重复序列的环。这让Karpen 和 Peng推测H3K9甲基化和RNAi路径通过某种特殊的机制调控细胞核的结构。
当H3K9甲基化路径正常时，异染色质处于致密状态，围绕核糖体DNA形成单个核仁。但当Su(var)3-9突变，或编码HP1蛋白的基因突变，或使RNAi功能失活的突变导致H3K9不能被甲基化时，异染色质被打开了，其中的DNA重复序列自由了，DNA重组和修复程序将DNA从染色体上切断，形成染色体外DNA，如果当中有核糖体DNA，它们将聚积成新的核仁。
奇怪的是，这种染色体的紊乱并不致死。Karpen说“不过检测到DNA损坏并进行修复，使染色体复制和细胞分裂减慢了。如果果蝇同时有H3K9甲基化及RNAi路径的突变，累积的基因异常将导致死亡。”
Karpen说，“这些发现扩展了基因稳定性的含义。我们计划调查果蝇中存在的H3K9和RNAi路径是否在人类也起同样的作用，如果是这样，异染色质的失调可能是肿瘤中基因极度不稳定的原因之一。我们还对研究这些路径影响细胞核染色体的机制很有兴趣。”
由Jamy C. Peng 和 Gary H. Karpen撰写的论文《H3K9 甲基化及RNAi调节了细胞核的结构及重复DNA序列的稳定性》将刊于《自然细胞生物》，付费即可于在线版先睹为快。该研究由国立卫生研究院资助。

伯克利实验室是美国能源部实验室，位于加尼福利亚，伯克利。从事非传统的科学研究，由加尼福利亚大学管理。

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