为什么有些基因高表达？

最近，来自日内瓦大学（UNIGE）和洛桑联邦理工大学（EPFL）的研究人员，研究了核小体动力学的控制机制以及对基因表达的影响。相关研究结果发表在最近的《Molecular Cell》。

　　

生物通报道：在我们的细胞中，DNA被折叠成数百万个小数据包，就像一根线上的珠子，使我们2米长的线性基因基因组，能够纳入一个直径只有约0.01毫米的细胞核中。然而，这些分子珠子，称为核小体，使DNA变得“不可读”。 因此，它们需要暂时无家可归，让基因被复制（转录）到用来制造蛋白质的信息中。细胞如何确保适当的接近“启动子”DNA——基因转录起始的区域，仍然还知之甚少。延伸阅读：科学家开发出控制基因表达的新方法 。

最近，来自日内瓦大学（UNIGE）和洛桑联邦理工大学（EPFL）的研究人员，研究了核小体动力学的控制机制以及对基因表达的影响。他们发现，所有启动子可被分为两种截然不同的类型，差别在于它们核小体稳定的状态。一种类型，以动态的、不稳定的核小体为特征，存在于高表达的基因上，如那些涉及细胞生长和分裂控制的基因。其他的类型，其中包含知名的稳定核小体，位于较少表达基因上。研究人员在最近的《Molecular Cell》杂志上发表文章，描述了核小体去稳定作用相关的不同分子之间的相互作用。

哺乳动物细胞中大约2米长的线性DNA如何被包裹在一个直径大约0.01毫米的细胞核内呢？这是通过核小体的帮助完成的，核小体是由蛋白质构成的基本单位，周围缠绕着一段DNA。当一个特定的基因需要被转录以产生新的蛋白质时，其启动子区必须从核小体解开，这样，它就可以被参与转录过程启动的因子访问。

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生长相关的基因高度表达
UNIGE科学学院分子生物学系的David Shore教授解释说：“了解核小体如何移动、退出或重组，是非常重要的，因为这会影响启动子DNA的可及性，这反过来又影响相应基因的表达。例如，核小体在启动子中形成和定位的动态，有助于理解为什么有些基因是高表达的，如正常或恶性生长相关的基因，而其他的基因，如应激诱导的基因，在正常情况下则很少表达。”

通过与UNIGE计算机科学系、EPFL生物信息学研究所的研究人员合作，David Shore的研究小组表征了酵母DNA每一个基因启动子中存在的核小体。这种单细胞真菌被用作一种模式生物，因为它在许多方面发挥功能，像一个哺乳动物细胞。就像人体细胞一样，酵母还具有所谓的“fragile”核小体。被偶然发现并被命名为“fragile”，是因为它们不抵抗某些酶，它们的性质和功能仍然是难以捉摸的。

一种独特类型的动态核小体
本文第一作者、UNIGE 研究人员Slawomir Kubik说：“我们发现存在两种启动子，不同之处在于是否存在“fragile”核小体。”科学家们还发现，含有“fragile”核小体的启动子与高水平的转录密切相关。他们推测，“fragile”核小体的动态特性，对提高启动子转录的蛋白质到启动子的可及性，起着重要的作用。David Shore解释说：“大部分的时间，基因组可能停留在一个非常紧凑的状态中，具有缠绕DNA的核小体，就像一个紧密的弹簧。我们相信，在高表达基因上存在动态核小体，有助于迅速解开这个弹簧。”

由于含有“fragile”核小体的许多基因，以一种连续的方式通过养分有效性而被控制，因此，启动子核小体稳定性的调制，可能是一种策略，用于在全基因组水平上协调生长相关的转录。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：

Nucleosome Stability Distinguishes Two Different Promoter Types at All Protein-Coding Genes in Yeast
Summary: Previous studies indicate that eukaryotic promoters display a stereotypical chromatin landscape characterized by a well-positioned +1 nucleosome near the transcription start site and an upstream −1 nucleosome that together demarcate a nucleosome-free (or -depleted) region. Here we present evidence that there are two distinct types of promoters distinguished by the resistance of the −1 nucleosome to micrococcal nuclease digestion. These different architectures are characterized by two sequence motifs that are broadly deployed at one set of promoters where a nuclease-sensitive (“fragile”) nucleosome forms, but concentrated in a narrower, nucleosome-free region at all other promoters. The RSC nucleosome remodeler acts through the motifs to establish stable +1 and −1 nucleosome positions, while binding of a small set of general regulatory (pioneer) factors at fragile nucleosome promoters plays a key role in their destabilization. We propose that the fragile nucleosome promoter architecture is adapted for regulation of highly expressed, growth-related genes.