有關基因表達調控中負調控元件
——沉默子概述

班章怡

河南大學生命科學學院 河南 開封 475004

1 引言

基因表達在真核生物中可以按照一定時間程序發生改變,而且隨著內外環境條件的變化而加以調整。也就是指基因受到時序調節,也受到細胞空間位置的調節。真核生物基因表達也可在不同表達水平上加以精確調節,這種在不同水平上進行調節的機制稱為多級調節系統。

真核基因的表達調控是一個非常復雜和協調的過程,而轉錄水平的調控是基因表達中非常重要的一環。在轉錄水平方面,基因主要受順式作用元件和反式作用因子的互相作用進行表述。順式作用元件是指與結構基因串聯的特定DNA序列,所述結構基因是轉錄因子的結合位點。它們通過與轉錄因子結合來調節基因轉錄的精確啟動和轉錄效率。

2 沉默子

2.1 沉默子的概述 在遺傳學中,沉默子是一段能夠結合轉錄調節因子的DNA序列,沉默子所結合的轉錄因子為阻遏蛋白,會抑制DNA的轉錄過程。隨著基因組測序的發展和對基因表達調控的深入研究,越來越多的沉默子被發現。這些沉默子既存在一定程度的相似性,又具有一定的區別,它們在遺傳工程和癌癥治療等方面具有很大的應用前景[1]。

2.2 沉默子的發現 最早發現而且被廣泛研究的沉默子是釀酒酵母沉默接合型座位沉默子。單倍體釀酒酵母有a和α兩種接合型,由染色體Ⅲ上MAT座位中的基因控制:當該座位是MATα時,接合型是α;當該座位是MATa時,接合型為a。控制不同接合型的遺傳信息存在于MAT基因左右兩側的HMLα和HMRa座位中。雖然這兩個座位分別含有α和a基因的完整拷貝及它們各自的啟動子,但通常保持沉默不被轉錄,這對于單倍體酵母表現出正常的接合行為是必要的,否則將導致不育。

2.3 沉默子的特征 生物體的基因組存在大量的調控序列,沉默子是其中一類抑制基因表達的調控元件。沉默子具有如下的特性:(1)一些沉默子元件可以在遠距離作用于順式連接的啟動子;(2)不同的沉默子具有不同的特點,一部分沉默子對基因表達的阻遏作用沒有方向和位置的限制,但也有部分沉默子具有方向依賴性和位置依賴性;(3)強沉默子元件富含CT的基序通常以多個拷貝的形式存在。

已經發現的沉默子中,有的沉默子既不具有啟動子特異性和細胞特異性,也不具有位置依賴性和方向依賴性。研究發現,鼠B29基因啟動子5'端的DNA序列抑制B29啟動子活性,這表明該區域可能含有沉默元件。進一步研究顯示,該區域存在兩個相鄰的沉默子元件,兩者以位置和方向不依賴的方式抑制鼠B29啟動子的轉錄,同時這兩個沉默子也能在B細胞和T細胞中抑制幾種異源啟動子的轉錄,表明它們不是B細胞特異性元件[2]。

沉默子元件中大多數的作用方式與位置和方向無關,但也有某些沉默子對位置與方向表現出不同程度的敏感性。bcl-2基因產物是一種線粒體膜蛋白,可作為細胞凋亡的抑制因子。在bcl-2基因5'端的非翻譯區中鑒定出一個負調控元件,瞬時表達實驗結果表明,將這個負調控元件片段插入P1啟動子下游約2.4 kb處,不影響啟動子的活性,說明該負調控元件以位置依賴性方式影響bcl-2 P1啟動子的表達[3]。有的沉默子的作用方式具有組織特異性,如位于雞β-珠蛋白基因簇上游的DNA片段,該沉默子元件僅在CTCF識別位點未甲基化的紅細胞中有活,在淋巴細胞和其他非紅細胞中則不具有活性[5]。

2.4 沉默子的結構組成 目前的研究顯示沉默子沒有特定的結構或保守基序,它是由多個遺傳元件或組件構成,即沉默子可以被分解為更小的組件。它們可能是一段有特異性抑制蛋白結合位點的核酸序列;可能是一個含有多個調控元件的復雜區域;或者是一種特殊的DNA構象。

2.5 沉默子的作用機制 類比增強子的作用機制,有學者對沉默子發揮作用的原理提出了環出模型:沉默子區域與相互作用的蛋白結合后,形成類似DNA環狀結構,該結構可能與啟動子作用從而破壞起始復合物最終抑制轉錄;另一種可能是產生的DNA環發生了拓撲結構的變化或者組蛋白的修飾,這種變化使得關鍵性轉錄因子不能與特定的序列正確結合進而阻止轉錄過程的進行。

阻遏蛋白結合位點存在于沉默子序列中,阻遏蛋白和該位點結合后抑制了基因的轉錄。通過特殊DNA二級結構的形成與解除從而調控基因的表達,被其他堿基間隔的連續幾個鳥苷酸組成的重復核酸鏈能自發地形成一種稱G-四鏈體的四鏈螺旋結構,4個鳥苷酸通過氫鍵形成G-四聯體,多個平面的G-四聯體堆積形成G-四鏈體(G4)。許多的基因組序列分析顯示,在人類、細菌和病毒的基因組中富含能形成G4結構的模序,該模序主要定位于基因組中重要調控作用的位點,比如端粒、DNA復制原點、啟動子等區域,證據顯示,在真實的細胞環境下能形成G4結構,并且有特異的蛋白質與其相互作用,說明G4結構參與DNA的復制、端粒的維持以及基因的表達調控等生物過程[3]。

2.6 沉默子的分類 根據沉默機制,沉默子可分為兩種不同類型:一種是相對短的,與位置無關的基序,通過它們結合的阻遏蛋白干擾轉錄起始復合物PIC的組裝,這種被稱為沉默子元件;另一種在轉錄起始位點TSS的上游和下游以及內含子和外顯子內發現,通過形成一定的空間位阻進而阻止轉錄因子與其各自的順式調控基序的結合且具有位置依賴性,被稱為負調控元件NRE。

2.7 沉默子的應用前景 近幾十年來,對順式調控元件及其功能的深入研究積累了豐富的有關基因表達調控的知識,為生產實踐中利用順式調控元件打下了堅實的基礎。人們可以利用啟動子、增強子、絕緣子等元件構建人工表達盒,精確地調控目的基因的表達,廣泛地應用于重組蛋白表達、轉基因以及基因治療等方面[4]。雖然對沉默子的研究相對滯后,但近年來的研究表明,沉默子作為一種基因表達的負調控元件在遺傳工程及人類疾病治療等領域具有廣闊的應用前景。

3 結語

沉默子是一種具有特定功能的核酸序列,它通過與細胞內轉錄因子相互作用或者干擾控制轉錄進程中的特殊信號發揮其負調控的作用,可作為人類疾病治療的靶點。對深入了解基因的表達調控以及利用沉默子為人類服務具有重要的意義。