有关基因表达调控中负调控元件——沉默子概述

班章怡

河南大学生命科学学院 河南 开封 475004

1 引言

基因表达在真核生物中可以按照一定时间程序发生改变,而且随着内外环境条件的变化而加以调整。也就是指基因受到时序调节,也受到细胞空间位置的调节。真核生物基因表达也可在不同表达水平上加以精确调节,这种在不同水平上进行调节的机制称为多级调节系统。

真核基因的表达调控是一个非常复杂和协调的过程,而转录水平的调控是基因表达中非常重要的一环。在转录水平方面,基因主要受顺式作用元件和反式作用因子的互相作用进行表述。顺式作用元件是指与结构基因串联的特定DNA序列,所述结构基因是转录因子的结合位点。它们通过与转录因子结合来调节基因转录的精确启动和转录效率。

2 沉默子

2.1 沉默子的概述 在遗传学中,沉默子是一段能够结合转录调节因子的DNA序列,沉默子所结合的转录因子为阻遏蛋白,会抑制DNA的转录过程。随着基因组测序的发展和对基因表达调控的深入研究,越来越多的沉默子被发现。这些沉默子既存在一定程度的相似性,又具有一定的区别,它们在遗传工程和癌症治疗等方面具有很大的应用前景[1]。

2.2 沉默子的发现 最早发现而且被广泛研究的沉默子是酿酒酵母沉默接合型座位沉默子。单倍体酿酒酵母有a和α两种接合型,由染色体Ⅲ上MAT座位中的基因控制:当该座位是MATα时,接合型是α;当该座位是MATa时,接合型为a。控制不同接合型的遗传信息存在于MAT基因左右两侧的HMLα和HMRa座位中。虽然这两个座位分别含有α和a基因的完整拷贝及它们各自的启动子,但通常保持沉默不被转录,这对于单倍体酵母表现出正常的接合行为是必要的,否则将导致不育。

2.3 沉默子的特征 生物体的基因组存在大量的调控序列,沉默子是其中一类抑制基因表达的调控元件。沉默子具有如下的特性:(1)一些沉默子元件可以在远距离作用于顺式连接的启动子;(2)不同的沉默子具有不同的特点,一部分沉默子对基因表达的阻遏作用没有方向和位置的限制,但也有部分沉默子具有方向依赖性和位置依赖性;(3)强沉默子元件富含CT的基序通常以多个拷贝的形式存在。

已经发现的沉默子中,有的沉默子既不具有启动子特异性和细胞特异性,也不具有位置依赖性和方向依赖性。研究发现,鼠B29基因启动子5'端的DNA序列抑制B29启动子活性,这表明该区域可能含有沉默元件。进一步研究显示,该区域存在两个相邻的沉默子元件,两者以位置和方向不依赖的方式抑制鼠B29启动子的转录,同时这两个沉默子也能在B细胞和T细胞中抑制几种异源启动子的转录,表明它们不是B细胞特异性元件[2]。

沉默子元件中大多数的作用方式与位置和方向无关,但也有某些沉默子对位置与方向表现出不同程度的敏感性。bcl-2基因产物是一种线粒体膜蛋白,可作为细胞凋亡的抑制因子。在bcl-2基因5'端的非翻译区中鉴定出一个负调控元件,瞬时表达实验结果表明,将这个负调控元件片段插入P1启动子下游约2.4 kb处,不影响启动子的活性,说明该负调控元件以位置依赖性方式影响bcl-2 P1启动子的表达[3]。有的沉默子的作用方式具有组织特异性,如位于鸡β-珠蛋白基因簇上游的DNA片段,该沉默子元件仅在CTCF识别位点未甲基化的红细胞中有活,在淋巴细胞和其他非红细胞中则不具有活性[5]。

2.4 沉默子的结构组成 目前的研究显示沉默子没有特定的结构或保守基序,它是由多个遗传元件或组件构成,即沉默子可以被分解为更小的组件。它们可能是一段有特异性抑制蛋白结合位点的核酸序列;可能是一个含有多个调控元件的复杂区域;或者是一种特殊的DNA构象。

2.5 沉默子的作用机制 类比增强子的作用机制,有学者对沉默子发挥作用的原理提出了环出模型:沉默子区域与相互作用的蛋白结合后,形成类似DNA环状结构,该结构可能与启动子作用从而破坏起始复合物最终抑制转录;另一种可能是产生的DNA环发生了拓扑结构的变化或者组蛋白的修饰,这种变化使得关键性转录因子不能与特定的序列正确结合进而阻止转录过程的进行。

阻遏蛋白结合位点存在于沉默子序列中,阻遏蛋白和该位点结合后抑制了基因的转录。通过特殊DNA二级结构的形成与解除从而调控基因的表达,被其他碱基间隔的连续几个鸟苷酸组成的重复核酸链能自发地形成一种称G-四链体的四链螺旋结构,4个鸟苷酸通过氢键形成G-四联体,多个平面的G-四联体堆积形成G-四链体(G4)。许多的基因组序列分析显示,在人类、细菌和病毒的基因组中富含能形成G4结构的模序,该模序主要定位于基因组中重要调控作用的位点,比如端粒、DNA复制原点、启动子等区域,证据显示,在真实的细胞环境下能形成G4结构,并且有特异的蛋白质与其相互作用,说明G4结构参与DNA的复制、端粒的维持以及基因的表达调控等生物过程[3]。

2.6 沉默子的分类 根据沉默机制,沉默子可分为两种不同类型:一种是相对短的,与位置无关的基序,通过它们结合的阻遏蛋白干扰转录起始复合物PIC的组装,这种被称为沉默子元件;另一种在转录起始位点TSS的上游和下游以及内含子和外显子内发现,通过形成一定的空间位阻进而阻止转录因子与其各自的顺式调控基序的结合且具有位置依赖性,被称为负调控元件NRE。

2.7 沉默子的应用前景 近几十年来,对顺式调控元件及其功能的深入研究积累了丰富的有关基因表达调控的知识,为生产实践中利用顺式调控元件打下了坚实的基础。人们可以利用启动子、增强子、绝缘子等元件构建人工表达盒,精确地调控目的基因的表达,广泛地应用于重组蛋白表达、转基因以及基因治疗等方面[4]。虽然对沉默子的研究相对滞后,但近年来的研究表明,沉默子作为一种基因表达的负调控元件在遗传工程及人类疾病治疗等领域具有广阔的应用前景。

3 结语

沉默子是一种具有特定功能的核酸序列,它通过与细胞内转录因子相互作用或者干扰控制转录进程中的特殊信号发挥其负调控的作用,可作为人类疾病治疗的靶点。对深入了解基因的表达调控以及利用沉默子为人类服务具有重要的意义。