增強(qiáng)子的特點(diǎn)及其作用機(jī)制說(shuō)課講解

1、增強(qiáng)子的特點(diǎn)及其作用機(jī)制增強(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。 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(guó)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) 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，

2、人類胰島素基因5端上游約250個(gè)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(gè)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(méi)有這種蛋白因子，所以也就沒(méi)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。 無(wú)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(guò)這一研究，很可能發(fā)現(xiàn)“人之所以為人”的秘密。 有的增強(qiáng)子可以對(duì)外部信號(hào)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)，

3、某些增強(qiáng)子可以被固醇類激素所激活。增強(qiáng)子的作用機(jī)制在哺乳動(dòng)物基因組中包含大約30000個(gè)基因，然而卻存在有數(shù)十萬(wàn)個(gè)增強(qiáng)子，說(shuō)明每一個(gè)細(xì)胞類型每一個(gè)基因平均約有4個(gè)增強(qiáng)子起作用。不同的增強(qiáng)子可能作用于一個(gè)或多個(gè)靶啟動(dòng)子。近年來(lái)增強(qiáng)子的研究雖然取得了很大的進(jìn)展, 實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)增強(qiáng)子的作用機(jī)制提出了多種預(yù)測(cè)和假說(shuō)。增強(qiáng)子的作用機(jī)制模型成環(huán)模型(Looping model)DNA折疊成環(huán)，與增強(qiáng)子結(jié)合的蛋白質(zhì)因子與啟動(dòng)子鄰近區(qū)

4、域結(jié)合的蛋白質(zhì)相遇而相互作用，同時(shí)向啟動(dòng)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對(duì)于 珠蛋白基因簇的介紹HS5HS4HS3HS1HS1HS2HS4HS5HS3HS2在任何時(shí)間，只有一個(gè)基因可以與全復(fù)合體相互作用-珠蛋白基因的轉(zhuǎn)錄-珠蛋白基因的轉(zhuǎn)錄與每一個(gè)核酶敏感位點(diǎn)結(jié)合的蛋白復(fù)合物(HS 1-5)有助于形成一個(gè)包含基因激活位點(diǎn)的全復(fù)合物啟動(dòng)子或HS結(jié)合復(fù)合物RNA聚合酶為了克服由于結(jié)合過(guò)程中 DN A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 MHG I,它們是 HMG蛋白（高遷移率族蛋白）家族

5、中 兩類序列特異性的 DNA彎曲蛋白 ( DNA bending protein)。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(shí)別位點(diǎn)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。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。成環(huán)機(jī)制在DNA持久長(zhǎng)度大于150bp或者50nm時(shí)很容易自發(fā)形成，并且只需要較小的能量，但是當(dāng)長(zhǎng)度小于該值時(shí)，DNA近乎

6、呈剛直狀態(tài)，欲使其彎曲需要很大的能量。生物化學(xué)兼容性增強(qiáng)子E2與目標(biāo)啟動(dòng)子(P)兼容，但E1不兼容，解釋了E2與p的選擇作用。下游啟動(dòng)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(duì)某些啟動(dòng)子的偏好，而不是絕對(duì)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(dòng)子，但是如果沒(méi)有含有TATA的啟動(dòng)子，則可以激活含有dep的啟動(dòng)子?？臻g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(dòng)子兼容，但空間結(jié)構(gòu)決定了只有E2與啟動(dòng)子相互作用絕緣雖然E2與啟動(dòng)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)誘餌染色質(zhì)環(huán)境P選擇性接觸E1，因?yàn)镋2

7、與p的相容性被染色質(zhì)環(huán)境改變?；瑒?dòng)模型(tracking model)轉(zhuǎn)錄因子與增強(qiáng)子結(jié)合，并沿著DNA向下滑動(dòng)至啟動(dòng)子，在啟動(dòng)子中促進(jìn)普通轉(zhuǎn)錄因子和聚合酶的結(jié)合利用 ATP的染色質(zhì)重建因子除了促進(jìn) DN A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?yàn)樗鼈兡芤鹛囟ê诵◇w位置的改變(滑動(dòng))，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(duì)核酶的敏感性。局限性如果是滑動(dòng)模型，會(huì)消耗很多能量，效率是低的。在進(jìn)化中會(huì)受到選擇的壓力。異化追蹤模型（Facilitated tracking model）是滑動(dòng)模型和成環(huán)模型的結(jié)合，特異的轉(zhuǎn)錄激活

8、蛋白首先與增強(qiáng)子結(jié)合，之后通過(guò)成環(huán)作用再與接近啟動(dòng)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(guò)短距離移動(dòng)確認(rèn)目標(biāo)啟動(dòng)子，進(jìn)而激活轉(zhuǎn)錄。鏈接模型（Linking model）一連串的蛋白質(zhì)復(fù)合物沿著啟動(dòng)子上的染色質(zhì)纖維延伸然后介導(dǎo)基因激活EPEPlinkingHs5 Hs4 Hs3 Hs2 Hs1Hs5 Hs4 Hs3 Hs2 Hs1Hs5 Hs4 Hs3 Hs2 Hs1CHIP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(gè)過(guò)程中，結(jié)合到將轉(zhuǎn)錄座位的蛋白質(zhì)通過(guò)活化非DNA結(jié)合蛋白而相互連接，形成一個(gè)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(guò)程中，前一個(gè)

9、基因表達(dá)時(shí)，其啟動(dòng)子結(jié)合復(fù)合物可能作為一個(gè)邊界元件阻止蛋白鏈進(jìn)一步延伸至下一個(gè)基因。而當(dāng)下一個(gè)基因開始表達(dá)時(shí)(前一個(gè)基因失活)，前一個(gè)基因的啟動(dòng)子又成為蛋白鏈的一個(gè)連接子而使其延伸至下一個(gè)基因局限性蛋白質(zhì)浪費(fèi)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(dòng)態(tài)的“跳躍一移動(dòng)”的轉(zhuǎn)錄模式。最初認(rèn)為增強(qiáng)子只調(diào)控一個(gè)鄰近的啟動(dòng)子，但是過(guò)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(gè)相鄰基因，有時(shí)超過(guò)幾百kb，經(jīng)常跳過(guò)一個(gè)或多個(gè)基因。拓?fù)湫?yīng) ( 1 )拓?fù)湫?yīng)說(shuō)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DNase敏感區(qū)，因而構(gòu)成RNA聚合酶進(jìn)入轉(zhuǎn)錄單位的

10、入口處。 對(duì)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DNase對(duì)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(diǎn)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。 ( 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(méi)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Dnase 敏感區(qū)實(shí)驗(yàn)還證實(shí)缺失3個(gè)Z一D N A形成片段的SV40是不能存活的 , 而除去兩個(gè) Z一D N A 形成片段的增 強(qiáng)子接到- 珠蛋白基因上也失去增強(qiáng)活性 ( 3 ) 超敏感部

11、位或其附近可能含有能從 Z一D N A 轉(zhuǎn)變?yōu)?B一D NA 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(zhǎng)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。目前關(guān)于增強(qiáng)子的作用機(jī)制尚無(wú)一種普 遍接受的觀點(diǎn) ,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(guò)不同的機(jī)制發(fā)揮作用。拓展 超級(jí)增強(qiáng)子 物理學(xué)家組織網(wǎng)2013年10月10日?qǐng)?bào)道，美國(guó)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

12、為超級(jí)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(jí)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(jí)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(guò)組裝它們自己的超級(jí)增強(qiáng)子，過(guò)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(jí)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(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值增強(qiáng)子陷阱 將某報(bào)道基因與一個(gè)精巧的啟動(dòng)子相連,組成一增強(qiáng)子陷阱重 組體,它不會(huì)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(bào)道 基因最終表達(dá),則可推知插入位點(diǎn)附近有增強(qiáng)子,或 有基因,即實(shí)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。 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(guò)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(shí)驗(yàn)室的博士后研究人員Yad Ghavi-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(shí)之前就形成了這些DNA環(huán)，建立了接觸，并招募了基因閱讀機(jī)器