核小体定位研究进展

核小体定位在诸如转录调控、DNA复制和修复等多种细胞过程中起着重要作用。基因组上核小体位置的确定涉及DNA、转录因子、组蛋白修饰酶和染色质重塑复合体之间的相互作用。核小体定位、组蛋白修饰、染色质重塑等问题已成为目前遗传学研究的热点——表观遗传学——的重要研究内容。文章从核小体定位基本概念、核小体定位与基因表达调控的关系、核小体定位实验研究和理论预测工作等几个方面总结了核小体定位的最新研究进展。     

核小体及染色质修饰的基因组分布模式和染色质状态

染色质是真核DNA的存在方式,可以通过影响DNA的可及性调节基因转录,其基本单元为核小体,系由约147 bp的DNA缠绕在组蛋白八联体上形成的结构,核小体之间以连接DNA相连．核小体组蛋白上能发生甲基化和乙酰化等化学修饰．核小体位置、DNA的甲基化和组蛋白的修饰等对染色质状态(常染色质或异染色质)及基因组之间的长程相互作用有重要影响．近年,基于高通量测序技术,核小体位置和染色质修饰在多种细胞中的基因组分布已被测定．结果显示,这些标记的分布模式具有位点特异、动态变化、相互偶联和高度复杂的特征．本文详细回顾并评述了核小体位置和染色质修饰的分布模式、对应生物学功能、修饰之间的关联、实验测定技术、染色质状态的计算分析等内容．该工作对于深入认识和理解染色质的表观遗传调节机制有重要意义．     

基于DNA弯曲度的H2A.Z核小体定位与修饰研究

在真核生物染色质中,H2A.Z是高度保守的组蛋白变异体,与转录调控、基因组的稳定性密切相关。为了探讨组蛋白修饰、DNA弯曲度与H2A.Z核小体定位三者之间的关联,在得到实验所测的相关数据后,利用MINE算法并结合皮尔逊相关系数在酵母全基因组的转录起始位点周围探讨了三者间的线性与非线性关系。其中MIC算法可以定量的得出数据之间关联度大小的值,用于衡量数据之间是否存在着关联,而皮尔逊相关系数则用于检查是否为线性关联。结果除了发现大部分组蛋白修饰种类和核小体定位之间存在着线性关联外,还探测到有两种组蛋白修饰数据(H4ac修饰与GCN4修饰)和核小体定位数据之间存在着以往未发现的非线性关系(大致呈正余弦函数),并从数据的生物背景(组蛋白修饰与核小体位置)上探讨了出现非线性现象的原因。     

基于DNA变形能的核小体定位预测方法研究进展

真核细胞中,作为染色质基本结构单元的核小体参与调控基因的转录、DNA复制、重组以及RNA剪接等诸多生物学过程。阐明核小体定位机制并准确预测核小体在染色体上的位置对解读染色质结构与功能有重要生物学意义。在过去30多年时间里,研究人员发展了多种预测核小体位置的方法。最理想的方法应考虑DNA序列、组蛋白修饰和染色质重塑等影响核小体定位的诸多因素,然而现实中,捕捉主要因素的模型也往往具有很高的鲁棒性和实用价值。DNA序列偏好性是在全基因组尺度上影响核小体定位的最重要因素之一,因此基于DNA序列的核小体定位预测方法也最常见。这种方法可大致分为两类,即基于DNA序列信息的生物信息学模型和基于DNA变形能的生物物理学模型。本文重点介绍生物物理学模型近些年取得的主要进展。     

核小体定位的转录调控功能研究进展

核小体是真核生物染色质的基本组成单位,组蛋白八聚体在DNA 双螺旋上精确位置称为核小体定位．核小体定位已被证实在基因转录调控、DNA复制与修复、调控进化等过程中扮演着重要的角色．随着染色质免疫共沉淀-芯片(ChIP-chip)与染色质免疫共沉淀-测序(ChIP-seq)等高通量技术的出现,已测定了多种模式生物全基因组核小体定位图谱,掀起了一股核小体定位及其功能的研究热潮,并取得了一定的成果．本文介绍了核小体定位的概念,总结了核小体在启动子与编码区域内定位的基本模式．在此基础上,综述了核小体定位在转录起始、转录延伸、基因表达模式多样化以及可变剪接等方面的功能研究进展．     

人类基因组核小体定位研究进展

近些年来,人类健康和疾病一直都是研究者们关注的焦点,因此表观遗传学研究也成为了研究热门。在对表观遗传学进行研究的过程中,研究者们发现核小体定位、组蛋白修饰和染色质重塑等方面的问题已经成为了表观遗传学研究中的重要研究内容。因此,在对酵母、果蝇和线虫等低等生物的核小体定位进行大量研究并取得一定的成果后,研究者们开始将核小体定位的研究对象放到了人类上。本综述介绍了核小体定位的基本概念,总结了近几年来以人类为研究对象的核小体定位的理论研究进展。     

组蛋白H3K36甲基化修饰在DNA损伤修复中的作用

维持基因组的稳定性是保证生命活动正常进行的必要条件。内部或外界的刺激会造成DNA的损伤,引起基因组的不稳定,导致细胞死亡甚至肿瘤发生。DNA为基础的核小体上的组蛋白可以发生多种翻译后修饰,其中组蛋白H3第36位上的赖氨酸(H3K36)的甲基化修饰在抑制非正常转录起始、抑制组蛋白交换、调控RNA可变剪切中发挥重要作用。近几年来,多项研究结果也表明,H3K36修饰在双链断裂和错配修复等DNA损伤修复活动中也发挥了调控作用。因此,了解H3K36甲基化在DNA损伤修复中的作用,可为相关疾病的研究与治疗提供理论基础。     

核小体定位模式及其与DNA甲基化位点分布的关系

核小体定位是指DNA双螺旋相对于组蛋白八联体的位置.核小体定位通过限制蛋白结合位点参与基因转录调控.本文利用实验检测的人类CD4+ T细胞核小体定位数据,研究了核小体定位在转录因子结合位点(TFBS)和转录起始位点(TSS)附近的分布模式,并分析了在TFBS和TSS周围,核小体定位与DNA甲基化之间的关系.结果表明,在休眠和激活的人类CD4+ T细胞中,部分TFBS和TSS周围的核小体定位在动态改变,即在定位和缺失两种状态之间切换.在TFBS周围,核小体定位和DNA甲基化存在一种互补模式,核小体定位与DNA低甲基化相联系;而在TSS周围,两者呈现同步模式,DNA高甲基化伴随高核小体水平.而且,在TFBS和TSS周围,DNA甲基化位点的分布呈周期模式.CD4+ T细胞被激活时,较少的转录因子启动了较多的基因.     

多样性增量结合支持向量机方法预测酵母核小体定位

作为目前遗传学热点领域表观遗传学的重要研究课题,核小体定位参与多种生物学过程并起着非常关键的作用,因此用理论方法预测核小体定位具有重要的生物学意义。该工作以酵母基因组为研究对象,根据其核心DNA与连接DNA序列的组分特征差异,分别统计其核苷酸k联体出现的频数,计算其多样性增量,并以此为特征值输入支持向量机构建模型。对酵母核小体核心DNA和连接DNA序列进行分类预测,整体准确率和相关系数分别达到93.10%和0.862。此方法在人类和果蝇的核小体核心DNA和连接DNA序列分类预测中也取得了较为理想的效果。将模型用于预测核小体在基因组上的位置取得初步成功。     

斑马鱼合子基因组激活过程中表观遗传调控的研究进展

合子基因组激活作为斑马鱼胚胎发育早期的关键转折事件,其发生对早期胚胎发育和全能性的形成有着重要的意义。研究发现,合子基因组激活在不同物种中发生的时间和持续的过程有着很大的差异,且有多种因素共同参与调控合子基因组的激活过程,其中表观遗传调控是最重要的因素之一。综述了斑马鱼合子基因组激活过程中表观遗传调控因素的研究进展,包括DNA甲基化、组蛋白修饰和核小体定位等,有助于深入理解合子基因组激活的发生过程。     

水稻表观基因组研究进展

水稻是世界上主要的粮食作物之一,也是功能基因组研究的模式植物。近年来水稻表观基因组研究取得了重大进展,表观基因组是指在特定的内在和外界环境条件下,细胞内全基因组染色质的修饰(如DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体在基因组DNA上的排列等)状态。表观基因组在调控水稻生长发育、产量、品质、适应性以及抗性等基因表达重编程过程中起重要作用,在水稻生物学和遗传育种学研究中起着重要的作用。现试图描述水稻表观基因组的特征,总结近年来研究所取得的成就,讨论未来的发展方向。     

人类基因组核苷酸多态性位点核小体定位分析

研究人类基因组核苷酸多态性位点周围核小体的定位,对于分析核苷酸的变异机制有重要意义.分析了人类基因组单核苷酸多态性(SNP)位点、简单插入位点、插入删除位点和删除位点的分布规律,以及这些位点周围的核小体定位特征.结果表明:转录起始位点下游的核苷酸多态性位点分布呈现约211 bp的周期特征,单核苷多态位点另有一个146 bp的周期;约211 bp的周期与转录起始位点下游核小体的分布周期204 bp非常接近,146 bp的周期恰是核小体核心DNA的长度.这些结果说明核小体与多态性位点的分布关系密切.进一步研究证实,单核苷酸多态性位点多分布于核心DNA上,且多位于核心DNA的两端,这使得单核苷酸多态性位点具有146 bp周期,而插入、插入删除、删除多态性位点多分布于核小体排开区域,间隔约为204 bp.转录起始位点下游核小体等间隔的规则分布使得多态性位点的分布也具有周期性.研究表明,相对于核小体,不同类型变异发生的位置不同,核小体定位在基因组多态性位点的形成过程中具有重要作用.     

国内简讯

表观遗传学研究取得新进展北京大学生命科学学院陶伟课题组的研究发现,在核糖体基因启动子区,除转录活跃和转录抑制2种状态的启动子外,还存在另外一类介于转录活跃和转录抑制中间状态的启动子,其核小体处于转录关闭的位置,但却是去甲基化。同时,伴随着活跃和抑制性的组蛋白修饰,这类启动子上装配有转录起始复合体的前     

组蛋白H3变体H3.3及其在细胞重编程中的作用

组蛋白是真核生物中一类进化上相对保守的蛋白质。由组蛋白八聚体及缠绕其上的DNA构成的核小体是真核生物染色质的基本组成单位。核小体使DNA保持固缩状态,既能维持基因组的稳定性,又能保证DNA序列可以正确地进行复制、转录、重组和修复。核小体调控细胞的生物过程除了通过组蛋白翻译后修饰,还可以通过组蛋白变体替换的方式进行。研究发现,组蛋白H3变体H3.3与常规组蛋白H3尽管仅有几个氨基酸的区别,但H3.3却能由特异的分子伴侣介导,整合进入染色质的特定区域,从而发挥不同的作用。同时,H3.3作为一种母源因子在正常受精和体细胞核移植等细胞重编程过程中也发挥着重要作用。本文总结了H3.3的结构特点和富集情况,探讨了特异的分子伴侣及其在细胞重编程中的作用,以期为提高体细胞重编程效率提供新思路,为体细胞重编程的应用奠定基础。     

通过系统分析揭示组蛋白修饰模式与转录因子结合之间的关联

转录因子对顺势调控元件的选择性结合,在哺乳动物细胞类型特异的基因表达中扮演重要的角色.这个过程受到染色质表观遗传状态的潜在调控.近期,染色质免疫共沉淀结合测序的研究提供了大量泛基因组水平的数据,阐述转录因子结合以及组蛋白修饰的位点,这为系统地研究转录因子和表观遗传标记之间的空间及调控关系提供了基础.该研究对公共数据库中的染色质免疫共沉淀结合测序数据进行整合分析,涉及5个细胞系中的85种转录因子、9种组蛋白修饰,目的是研究转录因子结合位点与组蛋白修饰模式以及基因表达在泛基因组水平上的关联.作者发现,不同转录因子与组蛋白修饰的共定位模式高度一致,并且组蛋白修饰在距离转录因子结合位点约500碱基对的位置富集.作者还发现,转录因子结合位点的占有率与活性组蛋白修饰的水平和双峰模式正相关,并且启动子区域组蛋白修饰的双峰和共定位模式和基因的高转录水平相一致.组蛋白修饰模式、转录因子结合位点的占有率与基因转录之间的关联暗示了细胞可能利用的基因表达调控机制.     

组蛋白泛素化修饰及其在DNA损伤应答中的作用

泛素化修饰是真核生物细胞内重要的翻译后修饰类型,通过调节蛋白质活性、稳定性和亚细胞定位广泛参与细胞内各项信号传导与代谢过程,对维持正常生命活动具有重要意义。组蛋白作为染色质中主要的蛋白成分,与DNA复制转录、修复等行为密切相关,是研究翻译后修饰的热点。DNA损伤后,组蛋白泛素化修饰通过调节核小体结构、激活细胞周期检查点、影响修复因子的招募与装配等诸多途径参与损伤应答。同时,组蛋白泛素化修饰还能调节其他位点翻译后修饰,并通过这种串扰(crosstalk)作用调节DNA损伤应答。本文介绍了组蛋白泛素化修饰的主要位点和相关组分(包括E3连接酶、去泛素化酶与效应分子),以及这些修饰作用共同编译形成的信号网络在DNA损伤应答中的作用,最后总结了目前该领域研究所面临的一些问题,以期为科研人员进一步探索组蛋白密码在DNA损伤应答中的作用提供参考。     

组蛋白变体及组蛋白替换

组蛋白作为核小体的基本组分,是染色质的结构和功能必需的。对于不同状态的染色质,核小体中会组装入相应的组蛋白变体,并且各种组蛋白变体的尾部也能发生多种修饰。这些变体通过改变核小体的空间构象和稳定性,决定基因转录的激活或沉默,DNA的修复,染色体的异染色化等。在组蛋白替换过程中,组蛋白变体是通过相应的染色质重构复合物组装入核小体,不同的变体有着不同的组装途径。对组蛋白变体的研究是近年来表观遗传学新的研究热点,也是对“组蛋白密码”的新的诠释。并且,组蛋白替换揭示了DNA-组蛋白相互作用变化的一种新的机制。

     

组蛋白乙酰化／去乙酰化作用与真核基因转录调控

核小体组蛋白的翻译后修饰是真核基因转录调控中的关键步骤。对于组蛋白的这类修饰方式 ,近年来研究最为活跃的是组蛋白Ｎ末端区域保守的Ｌｙｓ上ε ＮＨ 3 的乙酰化作用。随着各种组蛋白乙酰化酶 /去乙酰化酶被克隆、鉴定 ,组蛋白乙酰化 /去乙酰化作用与真核基因转录调控之间的关系也开始逐步得以阐明。1 .真核转录相关的组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶1 .1　组蛋白乙酰化酶 (ｈｉｓｔｏｎｅａｃｅｔｙｌｔｒａｎｓ ｆｅｒａｓｅ ,ＨＡＴ)　　核小体组蛋白中Ｎ末端区域上保守的Ｌｙｓ的乙酰化是染色质具有转录活性的标志之一。在组蛋白…     

酿酒酵母核小体定位理论模型的体外实验验证

核小体定位对真核生物基因表达调控发挥着重要作用。前期基于核小体核心及连接区域的k-mer频次分布偏好性,构建了位置权重矩阵算法,并在酿酒酵母基因组内较好地预测了核小体占据率。利用该理论模型,以1 bp碱基为步长、147 bp碱基为窗口,用该算法计算了酵母1号、3号、14号染色体上核小体形成能力强、中、弱各3条长度为147 bp的DNA序列,将这些片段克隆到重组质粒中,大量扩增回收9条标记biotin分子的目的序列。同时分别表达纯化了组蛋白H2A、H2B、H3和H4,复性后装配形成组蛋白八聚体结构。利用盐透析方法将9条DNA序列在体外组装形成核小体结构,经biotin标记检测后计算了反应过程的吉布斯自由能,对比了9条目的序列形成核小体的亲和力大小。研究发现,9条序列中有5条序列与理论预测完全符合,4条序列与理论预测不完全一致。实验结果与该算法预测的核小体定位结果基本一致,表明该理论模型能够有效预测酿酒酵母基因组核小体占据水平。     

肿瘤表观基因组学研究进展

多年来遗传学改变一直是肿瘤研究的焦点,近来人们越来越认识到异常表观遗传修饰在肿瘤形成中所起的重要作用。表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰等,其变异会导致基因转录异常。表观基因组学是在基因组水平上对表观遗传学改变的研究。文章主要介绍目前已知的肿瘤表观基因组学相关内容,阐述表观遗传修饰与肿瘤的紧密关系及异常表观遗传修饰作为生物标记在肿瘤诊断、预后及治疗方面的最新研究进展。