摘要:核小体定位是参与真核生物基因表达调控的一种重要的表观遗传因素,深刻影响基因转录､DNA复制与修复等生物学过程｡对于在许多基因位点,比如转录起始位点(TSS)､转录因子结合位点(TFBS)等处的核小体定位已有不少报道｡主要介绍了核小体的定位特性,综述了转录起始位点处核小体的定位特征, 分别从序列依赖性因素和DNA甲基化､组蛋白变体及修饰､染色质重塑､可变剪接等表观遗传因素较为详细地概括了转录起始位点核小体定位的研究进展｡
关键词:核心期刊论文,表观遗传,序列依赖性,转录起始位点(TSS),核小体定位
Advances on Nucleosome Mapping Around TSS
WANG Cheng-ai
(School of Mathematics,Physics and Biological Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,Inner Mongolia,China)
Abstract: Nucleosome mapping,an important epigenetic factor participating in regulating eukaryotic gene expression, deeply affects lots of biological processes,including gene transcription,DNA replication,DNA repair and so forth. The nucleosome mapping around TSS and TFBS has been reported properties of nucleosome mapping were introduced in this paper. Features in nucleosome mapping around TSS were summarized. Advances on nucleosome mapping around TSS from both the DNA sequence-dependent factor and some epigenetic factors including DNA methylation, variants and modification of histone,chromation remodeling,alternative splicing were reviewed.
Key words:epigenetic; DNA sequence-dependent; TSS; nucleosome mapping
核小体是真核生物中染色质的基本组成单位,而核小体定位是目前生命科学,特别是表观遗传学研究领域的一个热点问题｡核小体是由核心DNA约147 bp,缠绕在组蛋白八聚体周围约1.65圈而成,串联并进一步折叠成为染色质纤维[1]｡研究发现,真核生物基因组DNA有3/4以上被核小体所占据｡可以这样说,核小体定位是指核小体在基因组上的位置,通过控制蛋白结合位点等因素参与基因转录调控过程｡一些顺式作用元件比如Poly A序列､GC含量和序列模体等,是影响低等真核生物中核小体定位的主要因素,而高等生物核小体多数服从统计定位[2]｡核小体定位受到DNA序列因素的影响,但很多研究表明表观遗传因素对核小体定位同样起着重要的作用｡很多研究报道转录起始位点(TSS)序列外显子处核小体占据率高于内含子,DNA转录位点基因间区､启动子､5′NFR等处核小体分布较少｡鉴于此,有研究认为AA/TT/TA是核小体定位密码[3],邻近核小体､染色质高级结构也影响核小体定位｡一些表观遗传因素引起的DNA结构多样性,也同样影响核小体定位[4]｡然而,多种因素导致的基因功能位点附近核小体的有无或者位置的不同均会影响基因表达调控｡
1转录起始位点核小体定位研究概况
核小体定位是一种重要的表观遗传因素,影响基因表达调控;而对于转录起始位点附近的核小体定位特征研究的也比较多｡目前,研究人员做了关于人类以及酵母基因组的数据分析,发现核小体定位有重要的偏好性序列特征,TSS处核小体定位参与基因的转录调节,也与一些非组蛋白因子的影响有关｡Li等[5]通过研究小鼠肝脏的核小体定位图谱,发现DNA上核小体的定位能够调节基因转录水平｡
1.1转录起始位点核小体定位的特征
TSS附近核小体定位具有重要的序列特征｡Arya等[6]报道了缺乏和含有 TATA盒的两种启动子核小体定位不同｡后者位于离TSS上游25~125 bp处,核小体缺失区域不明显,这种启动子可能被核小体完全占据,或者促进TSS下游核小体占据｡TSS和一些转录激活结合位点常被覆盖｡酵母核小体缺失区域(NDR)两侧有2个强烈定位的核小体,+1核小体边缘通常跨过TSS,可能参与调控转录的进行｡据统计,TSS上游基因间区核小体占据水平高于下游｡
TSS处核小体定位参与基因的转录调节过程｡刘宏德等[7]利用弯曲度谱法发现,核小体在编码基因区域和miRNA基因启动子区域定位有差异｡在TSS上游-200~-400 bp和-400~-600 bp处以及TSS下游约200 bp处核小体定位信号较强,在上游0~ -400 bp内存在核小体缺失区域,在这里转录因子结合位点分布较多,这可能与转录起始有关,有利于基因的转录,总之,除了序列因素,包括转录因子或者重塑酶,转录中的RNA聚合酶,核小体“统计定位”[8],Bdf1､SWR1复合物[9],和复制､转录等一些生物学过程与核小体定位也有密切关系｡其中,DNA 偏好性序列的生物物理性质对核小体定位起主要作用｡
1.2转录起始位点核小体定位与基因表达调控
基因转录水平与核小体缺乏程度有关[10]｡不仅如此,Ercan等[11]发现酵母基因组核小体密度与基因的转录效率之间呈负相关,转录因子与核小体相互作用能够取代核小体,而核小体又会占据转录因子结合位点｡在TSS附近,核小体稀疏区域促成转录因子与靶位点结合而发挥作用｡然而,并非某一种因素单独影响TSS附近核小体定位, 受到多种因素的共同作用｡可以通过染色质结构的改变,暴露出转录因子结合位点,影响基因的转录机制｡刘辉等[12]分析了人类CD4+T 细胞甲基化组蛋白ChIP-seq数据,发现甲基化修饰之后的核小体大多分布在基因启动子处､TFBS区域｡有意思的是,核小体定位还能够影响TSS处核苷酸多态性位点(SNPs)的分布,从而影响转录因子的结合[12-14],在TSS下游,核小体的规则分布与多态性位点的周期性具有一致性 [14],SNPs多位于核心DNA的两端,而插入､插入删除等多态性位点核小体缺乏｡Deniz等[15]统计分析了酵母的核小体定位数据集,发现核小体在启动子区域内呈现周期性分布,周期性强度与基因转录水平呈负相关,与前面论述的观点保持一致｡可能是组蛋白占据TFBS,通过负调控抑制基因转录｡
2转录起始位点核小体定位与序列依赖性因素
研究一致认为,DNA序列依赖性是转录起始位点核小体定位的主要因素,不同序列对组蛋白核心亲和力不同[16],当然这主要发生在低等真核生物中｡然而,Gaffney等[17]通过研究人类12号染色体上的400多个核小体的排列,发现在大量连续重复序列中核小体定位在一些偏好性序列区域,核小体在核心DNA和连接DNA的偏好性也可通过k-mer频次法进行统计[18,19]｡而这种偏好性在一定程度上依赖于A+T和G+C含量｡G/C二核苷酸在体外偏向于形成核小体,而非体内[20]｡李慧敏等[21]分析了调控酵母核糖体蛋白基因的主要转录因子在启动子序列中的结合位点,发现A+T含量在 TSS附近较高,这样便于DNA的解链和进行基因转录,A+T含量在内含子中也较高,常见的调控元件都富含碱基C和G｡充分地说明了核小体定位序列的特征｡
DNA序列有差异,核小体定位水平不同,引起基因表达调控不同｡TSS附近大多数TF位点距离很近,甚至部分重叠,与核小体存在竞争, 也在一定程度上表明转录起始位点附近核小体分布较少｡启动子区域含有许多顺式作用元件,比如内含子一定程度上引起转录调控机制的差异[21];某些基因的 TSS定位并预测,比如从GC偏好性等出发[22],有助于基因调控机制的探索｡然而,Dai等[23]认为核小体定位受基因组DNA序列和各种蛋白因子的共同作用｡
3转录起始位点核小体定位与表观遗传因素
既然核小体定位对于基因的转录调控､DNA复制等过程如此重要,因此, 本研究较详细地总结了影响核小体定位的各种因素,除了序列因素,其他影响基因组上TSS处核小体位置的表观遗传因素,比如转录因子､DNA甲基化､组蛋白变体及修饰､染色质重塑､可变剪接等因素也在一定程度上影响核小体的动态定位[24],这几种表观遗传因素与TSS处核小体的形成和定位有着密切关系,已成为目前表观遗传学领域研究较为热点的问题｡
3.1TSS核小体定位与DNA甲基化
DNA甲基化是一种重要的表观遗传因素, 与TSS附近核小体定位呈现特殊关系｡研究人员通过研究人类CD4+T细胞TFBS和TSS周围核小体的分布情况,发现核小体动态地在定位､缺失之间改变｡TSS上下游200 bp内核小体定位,与DNA甲基化基本上呈正相关,在TFBS处呈互补模式｡DNA甲基化越高,越有利于核小体定位｡而且核小体核心DNA比连接DNA更易被甲基化,DNA甲基化位点与核小体定位也具有一致周期性｡除此之外,DNA甲基化会受组蛋白甲基化调节[25-27]｡关于核小体DNA甲基化,大部分研究并不认为DNA甲基化直接导致基因转录沉默发生[27],这可能与核小体定位机制有关,DNA甲基化同组蛋白甲基化共同调控基因表达,两者之间关系密切｡比如组蛋白修饰H3K9甲基化能够促进DNA甲基化的进程[28,29]｡Chodavarapu等[30]发现核小体和DNA甲基转移酶关系保守,DNA甲基化酶倾向于修饰缠绕在组蛋白上的DNA,在外显子中核小体高度富集,多定位于内含子与外显子交界处｡DNA甲基化在外显子的普遍存在,除了用于界定外显子外,同时还与外显子处核小体的偏好性存在保持一致｡
3.2TSS核小体定位与组蛋白变体､修饰
H2A.Z､ H3.3是组蛋白H2A的保守变体｡两者通常在TSS附近参与形成核小体[31],对H2A.Z报道居多｡Bargaje等[32]报道H2A.Z缺失会改变酿酒酵母基因组转录水平,核小体定位在沉默基因和高表达基因中不同,前者核小体覆盖TSS定位,而后者核小体则被取代｡位于TSS两侧的-1核小体和+1核小体的H2A.Z与基因表达的动态改变有关｡组蛋白变体能够影响核小体的稳定性和足迹变化,这也说明了染色体构型受组蛋白变体等的影响｡核小体的去组装和重新组装需要组蛋白分子伴侣的介导[33],以及能影响激活转录所用关键因子的参与｡Tolstorukov等[34]认为人类含H2A.Z核小体偏好性地保护一段核心DNA序列免受微球菌核酸酶降解,这同样说明H2A.Z可能会参与核小体和染色质结构的调整过程｡
然而,组蛋白变体的修饰也可影响核小体定位,进而影响基因转录活性调控｡在酵母H2A.Z的N末端多处乙酰化位点的突变,可能通过影响核小体结构,导致染色体传递受阻等｡有ChIP分析显示,H2A.Z中K14的乙酰化修饰仅出现在转录活跃基因的启动子上,在静息基因启动子区域几乎没有｡H2A.Z的部分生物学功能是由 H2A.Z和染色质复合物SWR1-C协同完成[35],染色质重塑复合物能够影响H2A.Z的作用,两者共同影响H2A.Z突变体细胞表型｡
H2A.Z在基因转录起始位点附近富含,与常染色质标记H3K4me3和H3K9ac的富含相一致,H2A.Z也与基因调控元件有关[36,37]｡ Zhang等[38]发现核小体可能存在于一些重要的功能区域,一些有活性的组蛋白变体H2A.Z在TSS上游占据较多,在下游不断减少｡组蛋白修饰能够控制顺式调节元件中的染色质结构｡还有观点认为,TSS附近H2A.Z是核因子Y(NF-Y)依赖性的,而且许多生物学过程中组蛋白乙酰化受核因子Y影响,可以用于甲基化与乙酰化的转换､组蛋白变体募集等[39]｡在癌细胞中存在乙酰化H2A.Z,H2A.Z水平则减少｡TSS处H2A.Z乙酰化与抑癌基因沉默水平增加保持一致,与DNA甲基化呈负相关[40]｡因此,组蛋白翻译后修饰对于转录起始位点处核小体定位水平以及基因的转录至关重要｡
3.3TSS核小体定位与染色质重塑
染色质结构及重塑复合物也与其他因素相互作用,共同影响核小体定位｡在不同启动子区域,染色质结构一般会存在差别｡许多研究认为蛋白质复合物､染色质重塑因子ISWI家族成员[41]通过与ATPases作用,来迫使核小体在DNA上滑动或者交换,还有观点认为,是DNA在核小体表面的扭曲度增加导致核小体的滑动[42,43]｡Varga-Weisz[44]认为依赖ATP的染色质重塑因子驱使核小体离开转录因子结合位点,阻止核小体进一步的结合｡染色质重塑因子可能和转录因子发生作用,影响基因的表达水平[45]｡不仅如此,滑动的核小体趋向于靠近启动子区域,反映了转录起始位点处核小体的动态定位｡启动子处核小体定位模型与转录依赖特性具有重要联系,转录调节前后存在核小体去稳定性现象[46,47]｡
转录起始位点核小体定位受染色质重塑结构的影响,然而染色质的结构和功能受DNA修饰和组蛋白修饰的影响[48]｡Zlatanova等[49]认为染色质结构是高度动态的,生物大分子的装配需要消耗ATP水解能来调节染色质结构｡染色质纤维拓扑样结构､RNA聚合酶都能造成转录延伸中核小体结构高度不稳定,使聚合酶跨越核小体障碍,有利于转录的进行｡
3.4TSS核小体定位与RNA剪接
RNA剪接事件与核小体定位也有一定关系｡陈伟等[50]从人类基因组转录起始位点上下游选取探针序列,根据目的序列碱基特征,用多样性增量二次判别方法(IDQD)构建模型,探讨了在人类基因组剪接位点 (GT/AG)邻近序列中的核小体分布,发现外显子处DNA序列喜欢形成核小体,核小体较多,转录的RNA具有较强刚性,而剪接位点及其邻近的内含子处则相反｡研究认为,DNA序列的核小体定位或者核小体缺失状态与RNA的刚性/柔性具有统计相关性[50]｡Ringrose[51]也发现核小体定位和外显子―内含子边界显著相关,研究也发现特定组蛋白修饰能够调解选择性剪接｡为了更好地预测TSS处核小体定位,有研究用支持向量机(SVM)等方法结合 TSS数据库预测启动子的位置[52]｡另有研究发现,存在大量因子影响核小体在DNA上的精确定位｡基因组序列中周期性的AA∶TT能够维持核小体的稳定性｡TA二聚体常存在小沟,CG常存在大沟位置[53],可变剪接与核小体定位偏好性也有关系｡针对剪接事件发生的重要性,有课题组也开展了可变剪接的相关研究工作｡
3.5TSS核小体定位与RNA聚合酶II ､CpG岛
RNA聚合酶是影响TSS处核小体定位反式因子中的重要因子｡RNA聚合酶影响核小体结构,核小体又会成为RNA聚合酶在DNA移动的转录屏障,RNA聚合酶为摆脱这一障碍,就需要逐出或者滑动核小体 [54],这种现象在启动子和编码区抵抗了核小体定位的热动力学偏好性｡有研究认为,当启动子TSS附近有核小体富集时,为激活转录RNA聚合酶Ⅱ提前进入TSS周围｡然而,在核小体分布较少的TSS处,染色质结构开放能够加速结合调节蛋白,进而可以募集RNA聚合酶用以转录[54]｡RNA聚合酶Ⅱ含量在外显子中比在内含子多,核小体定位能够调节RNA聚合酶Ⅱ的持续合成｡
不仅如此,已有研究发现,另一种因素CpG岛偏好性地出现在基因的 TSS处,特别是在管家基因中｡在转录起始位点周围核苷酸的周期性存在于含有CpG岛的区域,在人类和黑猩猩相同基因组区域的序列也发现了同样的现象｡在 TSS附近的SNP分布呈现周期性也与CpG岛有关[55,56]｡在一些植物和真菌基因中的GC偏好性特征影响转录,这可能是由转录起始过程中基因突变或者有偏好性的转录因子结合位点造成的[57]｡Blackledge等[58]发现CpG岛可以直接提供去甲基化酶,去除甲基化现象,CpG岛与核小体定位有着重要的关系,但有待深入研究｡
4结语
本文从转录起始位点出发,较为详细地概述了国内外核小体定位领域的最新研究进展,概括了核小体定位的多种影响因素,主要从序列依赖性和表观遗传因素两方面进行了归纳和综述,旨在把握现象并发现规律｡综合大量研究发现,TSS周围核小体定位特征具有一定的规律性,受DNA序列和表观遗传因素的共同作用,转录起始位点处核小体定位较少,除了序列特征造成的影响外,DNA甲基化的分布､组蛋白变体及组蛋白修饰､染色质重塑､可变剪接､RNA聚合酶Ⅱ等因素密切相关,从而调控基因表达水平｡对其深入研究具有重要的生物学意义,对于部分疾病的预防和治疗具有重要价值｡对TSS核小体定位的各种特性进行精确的分析,能够为相关研究领域提供参考｡目前对于这方面的研究大多是基于理论预测或者模型计算结果,而针对具体的基因功能位点核小体定位特性的试验研究比较少,还需要理论设计与试验验证相结合,使得目前核小体定位的理论得到进一步完善｡
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