30nm染色质纤维结构与表观遗传调控

真核生物的DNA以染色质形式通过逐级折叠压缩形成高级结构存在于细胞核中。染色质高级结构直接参与了真核基因的转录调控和其它与DNA相关的生物学事件,因此研究染色质高级结构对了解表观遗传学分子机制有着至关重要的作用。近些年,研究者们针对30 nm染色质高级结构提出了两个模型:螺线管模型和Zig-Zag模型。2014年,我们利用体外染色质组装体系重建了30 nm染色质纤维,运用高精度冷冻电镜技术得到了分辨率为11?的30 nm染色质纤维的精细结构,提出了30 nm染色质高级结构的左手双螺旋Zig-Zag模型。本文综述了30 nm染色质纤维结构研究方面的相关进展,并对30 nm染色质高级结构的表观遗传调控机理以及单分子成像和操纵技术在研究30 nm染色质高级结构中潜在的应用作出讨论和展望。     

冷冻电镜技术的发展推动染色质高级结构的研究

染色质的结构及动态变化在基因转录及表观遗传调控中起了关键作用,但对于30 nm染色质纤维(通常认为是基因组DNA的二级结构)的高级结构组成以及细胞体内是否存在30 nm染色质的组织形式一直存在较大争议。近年来,冷冻电镜三维重构技术发展迅速,为研究30 nm染色质纤维高级结构提供了一个良好的工具,并起了较大的推动作用。该文介绍了本领域相关的一些研究进展。     

综述: 30 nm染色质纤维的结构及调控

真核细胞中,基因组DNA缠绕组蛋白八聚体形成核小体,核小体再经过多层次折叠压缩形成具有高级结构的染色质．过去30多年,科学家对30 nm染色质纤维的结构进行了大量的研究,然而关于30 nm染色质纤维的精细结构仍然存在很大的争议．本文综述了近年来对30 nm染色质纤维结构的最新研究进展,并重点阐述了最近解析的30 nm染色质纤维左 手双螺旋结构．同时,我们还进一步讨论了一些对30 nm染色质纤维结构起调控作用的因子及其作用机制．最后,我们对30 nm染色质纤维结构与功能领域所面临的挑战和问题进行了展望．     

30nm染色质纤维的结构及调控

真核细胞中,基因组DNA缠绕组蛋白八聚体形成核小体,核小体再经过多层次折叠压缩形成具有高级结构的染色质.过去30多年,科学家对30 nm染色质纤维的结构进行了大量的研究,然而关于30 nm染色质纤维的精细结构仍然存在很大的争议.本文综述了近年来对30 nm染色质纤维结构的最新研究进展,并重点阐述了最近解析的30 nm染色质纤维左手双螺旋结构.同时,我们还进一步讨论了一些对30 nm染色质纤维结构起调控作用的因子及其作用机制.最后,我们对30 nm染色质纤维结构与功能领域所面临的挑战和问题进行了展望.     

30 nm染色质的体外组装和电镜分析

真核生物的基因组以染色质的形式存在,染色质在真核生物的基因表达调控及胚胎发育过程中起重要作用,为表观遗传提供一个重要的信息整合平台．染色质的高级结构,特别是 30 nm染色质的动态变化在基因转录沉默和激活过程中起着重要的调控功能．但是目前对30 nm 染色质纤维的组装及其精细结构的认识还十分有限．本文通过体外表达系统,表达未经修饰的组蛋白,并利用克隆构建的601DNA均一重复序列,通过逐步降低盐离子浓度并加入组蛋白H1或镁离子的方法,体外重组均一的30 nm染色质纤维．并利用镀金属、负染色制样和冷冻电镜制样等手段通过透射式电子显微镜(TEM)对30 nm纤维结构的形成原因、组蛋白H1的作用和核小体重复单位(nucleosome repeat lengths,NRLs)长度对30 nm染色质纤维的影响进行研究．研究结果显示在组蛋白H1或二价镁离子存在的情况下,均可形成30 nm染色质纤维．其形成的染色质拓扑结构有所不同．统计分析表明,不同长度核小体重复单位(NRLs)形成的染色质纤维直径有所不同(P < 0.05)．同时,我们得到了较为均一的冷冻电镜样品,为进一步研究30 nm染色质纤维的高级结构及理解体内染色质存在的形式及动态过程打下了较好的基础．     

果蝇多线染色体β异染色质区的螺旋结构(简报)

从1973年发现核小体至今,研究者们对染色质纤维结构和这种纤维组织成染色体的方式进行了广泛而深入的研究。由DNA到核小体到30nm染色质纤维几乎公认是按螺旋方式集缩的,但是有关30nm左右染色质纤维如何压缩形成染色体的高层次结构还没有统一的意见。关于这方面的研究目前已有许多模型。其中,Bak等提出的多级螺旋     

染色质三维结构重建及其生物学意义

真核生物的基因组在细胞核中以染色质的形式存在,染色质的功能与它的三维结构紧密相关,例如,基因组的复制、转录、调控、DNA突变、长链非编码RNA的传播和胚胎发育等生物功能都是在细胞核的三维空间中完成的.随着染色体构象捕获及其衍生技术与高通量测序技术的结合,产生了大量的染色质交互作用数据.根据这些染色质交互作用数据,研究人员已经提出很多种方法来重建染色质的三维结构.这些方法有助于在不同分辨率下系统地研究染色质的三维结构,为更好地了解染色质的调控功能提供了结构依据.本文总结了近期染色质三维结构建模方法的进展,并探讨了其在研究染色质生物学功能方面的应用.     

DNA修复的表观遗传学调控

表观遗传学信息的改变是导致人类肿瘤形成的重要因素之一．基因组的稳定性经常会受到DNA损伤的威胁．然而,高度致密的染色质结构却极大地妨碍了DNA修复的进行．因此,真核生物细胞中必须有一个精确的机制来克服染色质这一天然的屏障．其中,组蛋白的共价修饰和ATP-依赖的染色质重塑通过改变染色质的结构,对DNA修复进程起着关键的调控作用．介绍了DNA修复过程中,发生在表观遗传学方面的主要调控过程,特别阐述了在DNA双链断裂损伤应答和修复过程中,组蛋白修饰和染色质重塑方面最新的研究进展,并对今后的发展方向进行了讨论．     

果蝇多线染色体β异染色质区的螺旋结构

从1973年发现核小体至今,研究者们对染色质纤维结构和这种纤维组织成染色体的方式进行了广泛而深入的研究.由DNA到核小体到30nm染色质纤维几乎公认是按螺旋方式集缩的,但是有关30nm 左右染色质纤维如何压缩形成染色体的高层次结构还没有统一的意见.     

DNA甲基转移酶的表达调控及主要生物学功能

DNA甲基化是表观遗传学的重要部分, 同组蛋白修饰相互作用, 通过改变染色质结构, 调控基因表达。在哺乳类细胞或人体细胞中, DNA甲基化与细胞的增殖、衰老、癌变等生命现象有着重大关系。对催化DNA甲基化的DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, Dnmt)的研究可以揭示DNA甲基化对基因表达调控的机制, 从而研究与之相关的重要生命活动。文章以DNA甲基转移酶作为切入点, 探讨DNA甲基转移酶在基因表达调控中发挥的作用及其主要生物学功能。     

关于蚕豆根端分生组织细胞核中类胀泡结构的研究

本文对蚕豆根端分生组织细胞核中类胀泡结构的超微结构变化和细胞化学特点进行了研究。我们观察到,类胀泡结构是与集缩染色质紧密相连的核内结构。该结构是由直径30nm左右的纤维组成的较为疏松的网络,其中的30nm纤维可以进一步解集缩并释放出直径约10nm的颗粒,这些颗粒可能是核小体。Bernhard染色结果表明,类胀泡结构含有RNP。放射自显影结果表明,类胀泡结构具有转录活性。我们推测,蚕豆细胞核中的类胀泡结构可能是非核仁基因表达的一种形态。     

染色质构象与基因功能

在真核细胞中,DNA序列以染色质为载体,高度凝缩并存储于细胞核内,其复制、修复和转录表达等过程受到染色质构象的精准调控。越来越多的研究表明,特定的染色质构象可选择性激活或沉默基因,从而控制细胞自我维持或定向分化,决定细胞的组织特异性和细胞命运。因此,对染色质构象的深入研究已成为准确解析基因功能的一个关键切入点,也是当前基因组学研究所面临的一个巨大挑战。本文对染色质构象的研究历史、结构特征、动态调控机制进行了综述,并重点论述了不同维度构象特征对基因转录调控的影响,对该领域的研究难点进行了讨论,展望了其未来的发展方向,期望通过有效梳理染色质构象与基因调控之间的脉络关系,为未来该领域的研究提供参考。     

十足目甲壳动物非浓缩精子发生过程中组蛋白动态研究进展

精子发生是一个受到高度调控的发育过程.在精子形成过程中,组蛋白和鱼精蛋白参与的替换过程对于精子核单倍体基因组的重包装具有重要作用.十足目甲壳动物精子具有非浓缩核的特征,目前多项研究已经证明,十足目甲壳动物精子细胞核或顶体结构中存在部分组蛋白及修饰的组蛋白.本综述总结了十足目甲壳动物精子发生过程中组蛋白的动态特征,有助于阐释非浓缩核染色质结构包装调控的机制.     

7SRNA在癌细胞中含量改变及其对染色质转录活性的调节

7s RNA与哺乳动物基因组中有300,000重复拷贝的Alu DNA顺序高度互补。Alu DNA的功能是与结构基因的转座和表达调控密切有关。因此7s RNA对基因表达可能有调节作用。本文提供实验:1.肝癌细胞核内7s RNA含量比正常核少,意味着减弱了对癌细胞基因表达的控制。2.7s RNA比其他的核小分子量RNA更紧密与染色质结合。3.7sRNA对离体染色质的转录活性有促进和抑制的两相作用,这些结果直接和间接表明7s RNA对基因表达起一定的调节作用。由于Alu DNA在基因组中分布是广泛性的,因此认为7s RNA的调控作用也应是一般控制性质的。     

一种宏观基因调控分子SATB1

自身多聚化的SATB1(special AT-rich sequences binding protein 1)围绕异染色质形成笼状结构分布在细胞核中,SATB1不仅结合染色质DNA的核基质结合区(matrix attachment regions,MARs),也结合核基质,能够使DNA锚定在核基质并形成袢环状结构(loop)。SATB1的磷酸化、乙酰化和小泛素化样修饰可调节其DNA结合能力和细胞核内亚结构的定位;SATB1与多种蛋白质相互作用,能够募集染色质重塑复合物和组蛋白修饰酶,实现对其靶基因表达的时空特异性调控。SATB1在调节细胞分化、细胞凋亡、肿瘤生长与转移和X染色体失活等方面起到重要作用,并有可能成为肿瘤转移的治疗靶点。     

高等哺乳动物LEM结构域蛋白家族的研究进展

在高等动物细胞开放式有丝分裂过程中,细胞核膜会发生高度有序的周期性去组装和装配的动态变化。近年的研究结果表明是LEM家族蛋白成员通过与BAF因子相互作用介导了内核膜、核纤层蛋白以及染色体之间的相互作用。LEM蛋白、核纤层蛋白以及BAF因子直接相互作用形成的三元复合体在结构与功能上是相互依赖的,在此结构与功能上组成的网络体系是形成细胞核的一些基本生物学过程的重要条件。该复合体在调控有丝分裂M期后期和末期染色体的正常分离、有丝分裂后核膜的重组装,细胞分裂间期细胞核及核膜形态维持,调控DNA复制和DNA损伤修复,调节基因表达和信号通路以及逆转录病毒感染等方面发挥着重要的生物学功能。并且LEM蛋白相关基因的异常对核纤层疾病和肿瘤的发生发展具有重要的影响。文章主要针对LEM蛋白家族成员的结构以及功能研究进展进行了详细的综述。     

DNA的核骨架结合序列（MARs）研究进展

核骨架结合序列(Matrix-associated Reg-ions,MARs)是存在于真核细胞染色质中的一段与核骨架特异性结合的DNA序列。它常常位于基因的侧翼区内,与一些调控因子相邻;序列具有A-T丰富的特点,而且常常含有拓扑异构酶Ⅱ的酶切位点。近年来的研究表明MARs参与了细胞的许多重要的生命活动,包括染色质的组装,基因的复制和表达。因此,MARs被认为是一种决定染色质结构性和功能性区域的新的顺式调控因子。本文对MARs的特点,生物学功能以及研究方法等方面的最新进展进行了阐述。     

染色质构象解析技术——Hi-C及染色质构象信息提取

真核生物染色质在核内的空间组织形式能影响DNA的空间分布,因而对基因转录、DNA复制等生物学过程具有调节作用。目前对这种空间上高度有序的基因组结构的认识还是粗糙的、碎片式的和不完整的。近年,利用染色质构象捕获技术发展起来的衍生技术——Hi-C技术,是一种研究全基因组范围的染色质相互作用以及探明全基因组的三维结构的分析技术。利用Hi-C技术能够对染色质内部或所有染色质之间的相互作用进行精细分析,从而把基因表达调控引入到空间的、全局性的研究层面,为全面解析与DNA有关的生物学过程的机理开启新的契机。本文主要阐述染色质构象解析技术Hi-C的实验原理、数据处理以及染色质构象信息提取,包括染色质内相互作用情况分析、全基因组基因活性分类、拓扑关联结构域(TAD)和染色质环(chromatin loop),介绍染色质构象信息与基因调控研究方面的国际前沿进展。     

综述: 组蛋白变体的染色质组装

真核细胞的染色质组装是组蛋白和DNA有序地形成核小体和染色质的过程．通过调节DNA的开放或折叠状态,染色质组装不但影响遗传信息的编码和存储,也决定了遗传信息的提取和解读．作为染色质组装的重要调控因子,组蛋白变体和组蛋白伴侣在与DNA相关的生命活动进程中发挥着至关重要的作用．本文综述了组蛋白变体H2A.Z以及CENP-A进行染色质组装的研究进展,并着重讨论了组蛋白变体和组蛋白伴侣在染色质组装中的重要作用．     

PARP-1／AIF介导的细胞凋亡

PARP-1／AIF通路介导的非caspase依赖性细胞凋亡多见于缺血再灌注或某些药物引起的神经细胞死亡。PARP-1定位于细胞核,参与细胞内多种生理活动。广泛的DNA损伤引起PARP-1过度激活,进而使线粒体蛋白AIF转位至细胞核,作为DNA内切酶引发染色质凝集、DNA片段化和细胞死亡。最近,对该通路信号转导和调控机制的研究取得了快速的进展。