增強(qiáng)子的特點及其作用機(jī)制

增強(qiáng)子的特點和作用機(jī)制

侯啟如2018年10月25日當(dāng)前第1頁\共有38頁\編于星期三\22點增強(qiáng)子的概念指能夠使基因轉(zhuǎn)錄頻率明顯增加的DNA序列，增強(qiáng)子主要存在于真核生物基因組中。當(dāng)前第2頁\共有38頁\編于星期三\22點增強(qiáng)子的特點1.具有遠(yuǎn)距離效應(yīng)2.無方向性3.具有組織特異性4.有相位性5.須與特定的蛋白質(zhì)因子結(jié)合6.沒有物種和基因的特異性7.有的增強(qiáng)子可以對外部信號產(chǎn)生反應(yīng)當(dāng)前第3頁\共有38頁\編于星期三\22點增強(qiáng)子的遠(yuǎn)距離效應(yīng)一般位于上游-200bp處，但可增強(qiáng)遠(yuǎn)處啟動子的轉(zhuǎn)錄，即使相距>10kb也能發(fā)揮作用。最極端的例子是小鼠sonichedgehog(shh)基因中的肢體芽增強(qiáng)子，與啟動子相距1Mb以上。盡管在DNA序列上，增強(qiáng)子距離靶基因有很遠(yuǎn)的核苷酸距離，但是在染色質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)上，它們距離啟動子與靶基因卻很近。當(dāng)前第4頁\共有38頁\編于星期三\22點無方向性無論位于靶基因的上游、下游或者內(nèi)部都可以發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用如T細(xì)胞受體α鏈基因的增強(qiáng)子位于啟動子下游69kb以外,而果蠅cut基因座翅緣增強(qiáng)子位于其啟動子上游85kb以外當(dāng)前第5頁\共有38頁\編于星期三\22點具有組織特異性即在不同種屬細(xì)胞中，其增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性不同。SV40的增強(qiáng)子在3T3細(xì)胞（從Swiss系小鼠胎兒里得到的細(xì)胞株）中比多瘤病毒的增強(qiáng)子要弱，但在Hela細(xì)胞（源自一位美國婦女海莉耶塔?拉克斯的宮頸癌細(xì)胞的細(xì)胞系）中SV40的增強(qiáng)子比多瘤病毒的要強(qiáng)5倍。有相位性其作用和DNA的構(gòu)象有關(guān)當(dāng)前第6頁\共有38頁\編于星期三\22點增強(qiáng)子必須與特定的蛋白質(zhì)因子結(jié)合后才能發(fā)揮增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的作用增強(qiáng)子一般具有組織或細(xì)胞特異性，許多增強(qiáng)子只在某些細(xì)胞或組織中表現(xiàn)活性，是由這些細(xì)胞或組織中具有的特異性蛋白質(zhì)因子所決定的。例如，人類胰島素基因5’端上游約250個核苷酸處有一組織特異性增強(qiáng)子。在胰島素p細(xì)胞中有一種特異性蛋白因子，可以作用于這個區(qū)域，以增強(qiáng)胰島素基因的轉(zhuǎn)錄。在其他組織細(xì)胞中沒有這種蛋白因子，所以也就沒有此作用。這就是為什么胰島素基因只有在胰島素p細(xì)胞中才能很好表達(dá)的重要原因。當(dāng)前第7頁\共有38頁\編于星期三\22點無物種和基因的特異性可以連接到異源基因上發(fā)揮作用攜帶人類HARE5增強(qiáng)子的小鼠大腦發(fā)育出只有人類大腦才有的褶皺，并且比攜帶有黑猩猩HARE5增強(qiáng)子的小鼠胚胎形成的大腦大12%，通過這一研究，很可能發(fā)現(xiàn)“人之所以為人”的秘密。當(dāng)前第8頁\共有38頁\編于星期三\22點有的增強(qiáng)子可以對外部信號產(chǎn)生反應(yīng)如熱休克基因在高溫下才表達(dá)，金屬硫蛋白基因在鎘和鋅的存在下才表達(dá)，某些增強(qiáng)子可以被固醇類激素所激活。當(dāng)前第9頁\共有38頁\編于星期三\22點增強(qiáng)子的作用機(jī)制在哺乳動物基因組中包含大約30000個基因，然而卻存在有數(shù)十萬個增強(qiáng)子，說明每一個細(xì)胞類型每一個基因平均約有4個增強(qiáng)子起作用。不同的增強(qiáng)子可能作用于一個或多個靶啟動子。近年來增強(qiáng)子的研究雖然取得了很大的進(jìn)展,實驗證明增強(qiáng)子所引起的穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的增加是由于轉(zhuǎn)錄起始增強(qiáng)所致。也已證明增強(qiáng)子是與細(xì)胞因子結(jié)合而起作用的,與對核酸酶敏感的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)。但增強(qiáng)子的詳細(xì)作用機(jī)理仍然不是很清楚。因此對增強(qiáng)子的作用機(jī)制提出了多種預(yù)測和假說。當(dāng)前第10頁\共有38頁\編于星期三\22點成環(huán)模型滑動模型易化追蹤模型拓?fù)湫?yīng)鏈接模型增強(qiáng)子的作用機(jī)制模型當(dāng)前第11頁\共有38頁\編于星期三\22點成環(huán)模型(Loopingmodel)DNA折疊成環(huán)，與增強(qiáng)子結(jié)合的蛋白質(zhì)因子與啟動子鄰近區(qū)域結(jié)合的蛋白質(zhì)相遇而相互作用，同時向啟動子區(qū)彎曲靠攏，從而起轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)作用。這一模型已得到普遍的認(rèn)可。EPPELooping當(dāng)前第12頁\共有38頁\編于星期三\22點當(dāng)前第13頁\共有38頁\編于星期三\22點對于珠蛋白基因簇的介紹當(dāng)前第14頁\共有38頁\編于星期三\22點HS5HS4HS3HS1HS1HS2HS4HS5HS3HS2在任何時間，只有一個基因可以與全復(fù)合體相互作用β-珠蛋白基因的轉(zhuǎn)錄γ-珠蛋白基因的轉(zhuǎn)錄HC與每一個核酶敏感位點結(jié)合的蛋白復(fù)合物(HS1-5)有助于形成一個包含基因激活位點的全復(fù)合物啟動子或HS結(jié)合復(fù)合物RNA聚合酶當(dāng)前第15頁\共有38頁\編于星期三\22點為了克服由于結(jié)合過程中DNA彎曲和纏繞造成的能量損失,一般需要一種稱為“構(gòu)筑蛋白”的轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白參與作用。如LEF-1和MHGI,它們是HMG蛋白（高遷移率族蛋白）家族中兩類序列特異性的DNA彎曲蛋白(DNAbendingprotein)。它們能與DNA小溝結(jié)合,使DNA發(fā)生一定角度的彎曲,以促進(jìn)ATF、Ets-1等因子與增強(qiáng)子上相應(yīng)識別位點結(jié)合。如果各激活子之間的相互作用足以提供DNA變形所需的能量,“構(gòu)筑蛋白”就不需參與形成增強(qiáng)體。當(dāng)前第16頁\共有38頁\編于星期三\22點增強(qiáng)子成環(huán)作用的證據(jù)有研究認(rèn)為，染色質(zhì)柔韌性是決定成環(huán)與否的主要特征，而其主要受到組蛋白乙?；约捌渌揎椀恼{(diào)節(jié)，因此，組蛋白修飾狀態(tài)決定了增強(qiáng)子與其調(diào)控基因相互作用的可能性。當(dāng)前第17頁\共有38頁\編于星期三\22點成環(huán)機(jī)制在DNA持久長度大于150bp或者50nm時很容易自發(fā)形成，并且只需要較小的能量，但是當(dāng)長度小于該值時，DNA近乎呈剛直狀態(tài)，欲使其彎曲需要很大的能量。當(dāng)前第18頁\共有38頁\編于星期三\22點

增強(qiáng)子與啟動子的特異選擇生物化學(xué)兼容性空間結(jié)構(gòu)的選擇相互作用絕緣染色質(zhì)環(huán)境當(dāng)前第19頁\共有38頁\編于星期三\22點生物化學(xué)兼容性

增強(qiáng)子E2與目標(biāo)啟動子(P)兼容，但E1不兼容，解釋了E2與p的選擇作用。下游啟動子元件是決定與某些增強(qiáng)子相容的關(guān)鍵因素。但值得注意的是，增強(qiáng)子表現(xiàn)為對某些啟動子的偏好，而不是絕對不相容例如雙胸復(fù)合體的IAB5增強(qiáng)子，優(yōu)先激活含有TATA的啟動子，但是如果沒有含有TATA的啟動子，則可以激活含有dep的啟動子。當(dāng)前第20頁\共有38頁\編于星期三\22點空間結(jié)構(gòu)的選擇相互作用雖然E2和E3在生物化學(xué)上都與啟動子兼容，但空間結(jié)構(gòu)決定了只有E2與啟動子相互作用當(dāng)前第21頁\共有38頁\編于星期三\22點絕緣雖然E2與啟動子兼容，但它們的相互作用被絕緣體阻斷，可能是由于3D結(jié)構(gòu)的改變或絕緣體充當(dāng)誘餌當(dāng)前第22頁\共有38頁\編于星期三\22點染色質(zhì)環(huán)境

P選擇性接觸E1，因為E2與p的相容性被染色質(zhì)環(huán)境改變。當(dāng)前第23頁\共有38頁\編于星期三\22點滑動模型(trackingmodel)轉(zhuǎn)錄因子與增強(qiáng)子結(jié)合，并沿著DNA向下滑動至啟動子，在啟動子中促進(jìn)普通轉(zhuǎn)錄因子和聚合酶的結(jié)合當(dāng)前第24頁\共有38頁\編于星期三\22點當(dāng)前第25頁\共有38頁\編于星期三\22點利用ATP的染色質(zhì)重建因子除了促進(jìn)DNA結(jié)合因子與增強(qiáng)子之間的相互作用外,還能促進(jìn)結(jié)合在增強(qiáng)子上的復(fù)合物沿染色質(zhì)模板的追蹤作用這是因為它們能引起特定核小體位置的改變(滑動)，或核小體三維結(jié)構(gòu)的改變，或二者兼有，它們都能改變?nèi)旧|(zhì)對核酶的敏感性。局限性如果是滑動模型，會消耗很多能量，效率是低的。在進(jìn)化中會受到選擇的壓力。當(dāng)前第26頁\共有38頁\編于星期三\22點異化追蹤模型（Facilitatedtrackingmodel）是滑動模型和成環(huán)模型的結(jié)合，特異的轉(zhuǎn)錄激活蛋白首先與增強(qiáng)子結(jié)合，之后通過成環(huán)作用再與接近啟動子的上游DNA結(jié)合，然后這些轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子在染色體纖維上通過短距離移動確認(rèn)目標(biāo)啟動子，進(jìn)而激活轉(zhuǎn)錄。當(dāng)前第27頁\共有38頁\編于星期三\22點鏈接模型（Linkingmodel）一連串的蛋白質(zhì)復(fù)合物沿著啟動子上的染色質(zhì)纖維延伸然后介導(dǎo)基因激活EPEPlinking當(dāng)前第28頁\共有38頁\編于星期三\22點Hs5Hs4Hs3Hs2Hs1Hs5Hs4Hs3Hs2Hs1Hs5Hs4Hs3Hs2Hs1CHIP蛋白復(fù)合物同源域轉(zhuǎn)錄因子或其他蛋白質(zhì)LCR高階蛋白復(fù)合物在這個過程中，結(jié)合到將轉(zhuǎn)錄座位的蛋白質(zhì)通過活化非DNA結(jié)合蛋白而相互連接，形成一個從LCR到轉(zhuǎn)錄基因間的數(shù)十kb區(qū)域的蛋白鏈。在基因開關(guān)過程中，前一個基因表達(dá)時，其啟動子結(jié)合復(fù)合物可能作為一個邊界元件阻止蛋白鏈進(jìn)一步延伸至下一個基因。而當(dāng)下一個基因開始表達(dá)時(前一個基因失活)，前一個基因的啟動子又成為蛋白鏈的一個連接子而使其延伸至下一個基因當(dāng)前第29頁\共有38頁\編于星期三\22點局限性蛋白質(zhì)浪費雖然連接模型很容易理解一類珠蛋白基因表達(dá)的發(fā)育階段特異性，但難以解釋動態(tài)的“跳躍一移動”的轉(zhuǎn)錄模式。最初認(rèn)為增強(qiáng)子只調(diào)控一個鄰近的啟動子，但是過去25年的許多觀察表明，這種相互作用更為復(fù)雜。增強(qiáng)子可以控制多個相鄰基因，有時超過幾百kb，經(jīng)常跳過一個或多個基因。當(dāng)前第30頁\共有38頁\編于星期三\22點拓?fù)湫?yīng)

(1)拓?fù)湫?yīng)說認(rèn)為增強(qiáng)子的作用是誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，使核小體產(chǎn)生DNaseⅠ敏感區(qū)，因而構(gòu)成RNA聚合酶Ⅱ進(jìn)入轉(zhuǎn)錄單位的入口處。對果蠅的hsp70基因研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)子常常與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞共構(gòu)，表現(xiàn)為DNaseⅠ對消化的超敏反應(yīng)，這是由于100-300bp的DNA短區(qū)域造成的，這些區(qū)域由于轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合而排除了核小體，增強(qiáng)子由轉(zhuǎn)錄因子的同源結(jié)合位點組成，它們既可以影響核小體，又可以彎曲DNA,因而具有核酸酶超敏性。

當(dāng)前第31頁\共有38頁\編于星期三\22點(2)增強(qiáng)子區(qū)有一段富含交替嘌呤和嘧啶的序列，位于沒有核小體的區(qū)域，能夠以負(fù)超螺旋的形式生成Z-DNA,也是DnaseⅠ敏感區(qū)實驗還證實缺失3個Z一DNA形成片段的SV40是不能存活的,而除去兩個Z一DNA形成片段的增強(qiáng)子接到β-珠蛋白基因上也失去增強(qiáng)活性(3)超敏感部位或其附近可能含有能從Z一DNA轉(zhuǎn)變?yōu)锽一DNA的順序,這種轉(zhuǎn)換改變DNA螺旋中右手旋轉(zhuǎn)的凈數(shù)值,使它更易打開。這種效應(yīng)能夠沿著DNA螺旋傳遞很長距離，從而影響到RNA聚合酶起始轉(zhuǎn)錄處螺旋打開。這些改變涉及核小體結(jié)構(gòu)的解體或重新劃分，或使局部的超螺旋密度發(fā)生改變，這種結(jié)構(gòu)的改變可能有利于轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成。當(dāng)前第32頁\共有38頁\編于星期三\22點目前關(guān)于增強(qiáng)子的作用機(jī)制尚無一種普遍接受的觀點,已提出的各種機(jī)制都能解釋一些現(xiàn)象,很可能增強(qiáng)子本身存在多種作用機(jī)制,在不同的細(xì)胞環(huán)境下通過不同的機(jī)制發(fā)揮作用。當(dāng)前第33頁\共有38頁\編于星期三\22點拓展超級增強(qiáng)子物理學(xué)家組織網(wǎng)2013年10月10日報道，美國懷特黑德生物醫(yī)學(xué)研究所科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一套稱為"超級增強(qiáng)子"的基因調(diào)控器，能控制、影響人類和小鼠的大量細(xì)胞型。研究人員指出，超級增強(qiáng)子富集在基因組的變異區(qū)，而這些變異區(qū)與多種疾病譜系密切相關(guān)超級增強(qiáng)子是以一種特別潛伏的方式暗中操作，但控制力卻涵蓋多種癌癥譜系，癌細(xì)胞通過組裝它們自己的超級增強(qiáng)子，過度生產(chǎn)惡性致癌基因，表現(xiàn)出增生、入侵和轉(zhuǎn)移的癌癥標(biāo)志特征因此開展腫瘤相關(guān)超級增強(qiáng)子的研究，將有助深入解開腫瘤發(fā)病機(jī)制，并且可用于指導(dǎo)抗腫瘤藥物的高效研發(fā)，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值當(dāng)前第34頁\共有38頁\編于星期三\22點增強(qiáng)子陷阱將某報道基因與一個精巧的啟動子相連,組成一增強(qiáng)子陷阱重組體,它不會自主起始轉(zhuǎn)錄,而需由被插入的細(xì)胞基因組中的增強(qiáng)子幫助才可轉(zhuǎn)錄。若報道基因最終表達(dá),則可推知插入位點附近有增強(qiáng)子,或有基因,即實現(xiàn)了以該增強(qiáng)子陷阱重組體發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)子的目的。當(dāng)前第35頁\共有38頁\編于星期三\22點Nature:顛覆增強(qiáng)子傳統(tǒng)認(rèn)知,揭示驚人穩(wěn)定的遠(yuǎn)程關(guān)系在胚胎發(fā)育過程中增強(qiáng)子在它們激活的很早之前就找到了它們的靶標(biāo)Furlong實驗室的博士后研究人員YadGhavi-Helm發(fā)現(xiàn)，在發(fā)育的果蠅胚胎中，在基因表達(dá)數(shù)小時之前就形成了這