增强子的特点及其作用机制

增强子的特点和作用机制

侯启如2018年10月25日当前第1页\共有38页\编于星期三\22点增强子的概念指能够使基因转录频率明显增加的DNA序列，增强子主要存在于真核生物基因组中。当前第2页\共有38页\编于星期三\22点增强子的特点1.具有远距离效应2.无方向性3.具有组织特异性4.有相位性5.须与特定的蛋白质因子结合6.没有物种和基因的特异性7.有的增强子可以对外部信号产生反应当前第3页\共有38页\编于星期三\22点增强子的远距离效应一般位于上游-200bp处，但可增强远处启动子的转录，即使相距>10kb也能发挥作用。最极端的例子是小鼠sonichedgehog(shh)基因中的肢体芽增强子，与启动子相距1Mb以上。尽管在DNA序列上，增强子距离靶基因有很远的核苷酸距离，但是在染色质三维空间结构上，它们距离启动子与靶基因却很近。当前第4页\共有38页\编于星期三\22点无方向性无论位于靶基因的上游、下游或者内部都可以发挥增强转录的作用如T细胞受体α链基因的增强子位于启动子下游69kb以外,而果蝇cut基因座翅缘增强子位于其启动子上游85kb以外当前第5页\共有38页\编于星期三\22点具有组织特异性即在不同种属细胞中，其增强转录活性不同。SV40的增强子在3T3细胞（从Swiss系小鼠胎儿里得到的细胞株）中比多瘤病毒的增强子要弱，但在Hela细胞（源自一位美国妇女海莉耶塔‧拉克斯的宫颈癌细胞的细胞系）中SV40的增强子比多瘤病毒的要强5倍。有相位性其作用和DNA的构象有关当前第6页\共有38页\编于星期三\22点增强子必须与特定的蛋白质因子结合后才能发挥增强转录的作用增强子一般具有组织或细胞特异性，许多增强子只在某些细胞或组织中表现活性，是由这些细胞或组织中具有的特异性蛋白质因子所决定的。例如，人类胰岛素基因5’端上游约250个核苷酸处有一组织特异性增强子。在胰岛素p细胞中有一种特异性蛋白因子，可以作用于这个区域，以增强胰岛素基因的转录。在其他组织细胞中没有这种蛋白因子，所以也就没有此作用。这就是为什么胰岛素基因只有在胰岛素p细胞中才能很好表达的重要原因。当前第7页\共有38页\编于星期三\22点无物种和基因的特异性可以连接到异源基因上发挥作用携带人类HARE5增强子的小鼠大脑发育出只有人类大脑才有的褶皱，并且比携带有黑猩猩HARE5增强子的小鼠胚胎形成的大脑大12%，通过这一研究，很可能发现“人之所以为人”的秘密。当前第8页\共有38页\编于星期三\22点有的增强子可以对外部信号产生反应如热休克基因在高温下才表达，金属硫蛋白基因在镉和锌的存在下才表达，某些增强子可以被固醇类激素所激活。当前第9页\共有38页\编于星期三\22点增强子的作用机制在哺乳动物基因组中包含大约30000个基因，然而却存在有数十万个增强子，说明每一个细胞类型每一个基因平均约有4个增强子起作用。不同的增强子可能作用于一个或多个靶启动子。近年来增强子的研究虽然取得了很大的进展,实验证明增强子所引起的稳定转录产物的增加是由于转录起始增强所致。也已证明增强子是与细胞因子结合而起作用的,与对核酸酶敏感的染色质结构的形成有关。但增强子的详细作用机理仍然不是很清楚。因此对增强子的作用机制提出了多种预测和假说。当前第10页\共有38页\编于星期三\22点成环模型滑动模型易化追踪模型拓扑效应链接模型增强子的作用机制模型当前第11页\共有38页\编于星期三\22点成环模型(Loopingmodel)DNA折叠成环，与增强子结合的蛋白质因子与启动子邻近区域结合的蛋白质相遇而相互作用，同时向启动子区弯曲靠拢，从而起转录增强作用。这一模型已得到普遍的认可。EPPELooping当前第12页\共有38页\编于星期三\22点当前第13页\共有38页\编于星期三\22点对于珠蛋白基因簇的介绍当前第14页\共有38页\编于星期三\22点HS5HS4HS3HS1HS1HS2HS4HS5HS3HS2在任何时间，只有一个基因可以与全复合体相互作用β-珠蛋白基因的转录γ-珠蛋白基因的转录HC与每一个核酶敏感位点结合的蛋白复合物(HS1-5)有助于形成一个包含基因激活位点的全复合物启动子或HS结合复合物RNA聚合酶当前第15页\共有38页\编于星期三\22点为了克服由于结合过程中DNA弯曲和缠绕造成的能量损失,一般需要一种称为“构筑蛋白”的转录调控蛋白参与作用。如LEF-1和MHGI,它们是HMG蛋白（高迁移率族蛋白）家族中两类序列特异性的DNA弯曲蛋白(DNAbendingprotein)。它们能与DNA小沟结合,使DNA发生一定角度的弯曲,以促进ATF、Ets-1等因子与增强子上相应识别位点结合。如果各激活子之间的相互作用足以提供DNA变形所需的能量,“构筑蛋白”就不需参与形成增强体。当前第16页\共有38页\编于星期三\22点增强子成环作用的证据有研究认为，染色质柔韧性是决定成环与否的主要特征，而其主要受到组蛋白乙酰化以及其他修饰的调节，因此，组蛋白修饰状态决定了增强子与其调控基因相互作用的可能性。当前第17页\共有38页\编于星期三\22点成环机制在DNA持久长度大于150bp或者50nm时很容易自发形成，并且只需要较小的能量，但是当长度小于该值时，DNA近乎呈刚直状态，欲使其弯曲需要很大的能量。当前第18页\共有38页\编于星期三\22点

增强子与启动子的特异选择生物化学兼容性空间结构的选择相互作用绝缘染色质环境当前第19页\共有38页\编于星期三\22点生物化学兼容性

增强子E2与目标启动子(P)兼容，但E1不兼容，解释了E2与p的选择作用。下游启动子元件是决定与某些增强子相容的关键因素。但值得注意的是，增强子表现为对某些启动子的偏好，而不是绝对不相容例如双胸复合体的IAB5增强子，优先激活含有TATA的启动子，但是如果没有含有TATA的启动子，则可以激活含有dep的启动子。当前第20页\共有38页\编于星期三\22点空间结构的选择相互作用虽然E2和E3在生物化学上都与启动子兼容，但空间结构决定了只有E2与启动子相互作用当前第21页\共有38页\编于星期三\22点绝缘虽然E2与启动子兼容，但它们的相互作用被绝缘体阻断，可能是由于3D结构的改变或绝缘体充当诱饵当前第22页\共有38页\编于星期三\22点染色质环境

P选择性接触E1，因为E2与p的相容性被染色质环境改变。当前第23页\共有38页\编于星期三\22点滑动模型(trackingmodel)转录因子与增强子结合，并沿着DNA向下滑动至启动子，在启动子中促进普通转录因子和聚合酶的结合当前第24页\共有38页\编于星期三\22点当前第25页\共有38页\编于星期三\22点利用ATP的染色质重建因子除了促进DNA结合因子与增强子之间的相互作用外,还能促进结合在增强子上的复合物沿染色质模板的追踪作用这是因为它们能引起特定核小体位置的改变(滑动)，或核小体三维结构的改变，或二者兼有，它们都能改变染色质对核酶的敏感性。局限性如果是滑动模型，会消耗很多能量，效率是低的。在进化中会受到选择的压力。当前第26页\共有38页\编于星期三\22点异化追踪模型（Facilitatedtrackingmodel）是滑动模型和成环模型的结合，特异的转录激活蛋白首先与增强子结合，之后通过成环作用再与接近启动子的上游DNA结合，然后这些转录调控因子在染色体纤维上通过短距离移动确认目标启动子，进而激活转录。当前第27页\共有38页\编于星期三\22点链接模型（Linkingmodel）一连串的蛋白质复合物沿着启动子上的染色质纤维延伸然后介导基因激活EPEPlinking当前第28页\共有38页\编于星期三\22点Hs5Hs4Hs3Hs2Hs1Hs5Hs4Hs3Hs2Hs1Hs5Hs4Hs3Hs2Hs1CHIP蛋白复合物同源域转录因子或其他蛋白质LCR高阶蛋白复合物在这个过程中，结合到将转录座位的蛋白质通过活化非DNA结合蛋白而相互连接，形成一个从LCR到转录基因间的数十kb区域的蛋白链。在基因开关过程中，前一个基因表达时，其启动子结合复合物可能作为一个边界元件阻止蛋白链进一步延伸至下一个基因。而当下一个基因开始表达时(前一个基因失活)，前一个基因的启动子又成为蛋白链的一个连接子而使其延伸至下一个基因当前第29页\共有38页\编于星期三\22点局限性蛋白质浪费虽然连接模型很容易理解一类珠蛋白基因表达的发育阶段特异性，但难以解释动态的“跳跃一移动”的转录模式。最初认为增强子只调控一个邻近的启动子，但是过去25年的许多观察表明，这种相互作用更为复杂。增强子可以控制多个相邻基因，有时超过几百kb，经常跳过一个或多个基因。当前第30页\共有38页\编于星期三\22点拓扑效应

(1)拓扑效应说认为增强子的作用是诱导染色质结构变化，使核小体产生DNaseⅠ敏感区，因而构成RNA聚合酶Ⅱ进入转录单位的入口处。对果蝇的hsp70基因研究发现增强子常常与染色质结构的破坏共构，表现为DNaseⅠ对消化的超敏反应，这是由于100-300bp的DNA短区域造成的，这些区域由于转录因子的结合而排除了核小体，增强子由转录因子的同源结合位点组成，它们既可以影响核小体，又可以弯曲DNA,因而具有核酸酶超敏性。

当前第31页\共有38页\编于星期三\22点(2)增强子区有一段富含交替嘌呤和嘧啶的序列，位于没有核小体的区域，能够以负超螺旋的形式生成Z-DNA,也是DnaseⅠ敏感区实验还证实缺失3个Z一DNA形成片段的SV40是不能存活的,而除去两个Z一DNA形成片段的增强子接到β-珠蛋白基因上也失去增强活性(3)超敏感部位或其附近可能含有能从Z一DNA转变为B一DNA的顺序,这种转换改变DNA螺旋中右手旋转的净数值,使它更易打开。这种效应能够沿着DNA螺旋传递很长距离，从而影响到RNA聚合酶起始转录处螺旋打开。这些改变涉及核小体结构的解体或重新划分，或使局部的超螺旋密度发生改变，这种结构的改变可能有利于转录复合物的形成。当前第32页\共有38页\编于星期三\22点目前关于增强子的作用机制尚无一种普遍接受的观点,已提出的各种机制都能解释一些现象,很可能增强子本身存在多种作用机制,在不同的细胞环境下通过不同的机制发挥作用。当前第33页\共有38页\编于星期三\22点拓展超级增强子物理学家组织网2013年10月10日报道，美国怀特黑德生物医学研究所科学家发现了一套称为"超级增强子"的基因调控器，能控制、影响人类和小鼠的大量细胞型。研究人员指出，超级增强子富集在基因组的变异区，而这些变异区与多种疾病谱系密切相关超级增强子是以一种特别潜伏的方式暗中操作，但控制力却涵盖多种癌症谱系，癌细胞通过组装它们自己的超级增强子，过度生产恶性致癌基因，表现出增生、入侵和转移的癌症标志特征因此开展肿瘤相关超级增强子的研究，将有助深入解开肿瘤发病机制，并且可用于指导抗肿瘤药物的高效研发，具有重要的社会意义和经济价值当前第34页\共有38页\编于星期三\22点增强子陷阱将某报道基因与一个精巧的启动子相连,组成一增强子陷阱重组体,它不会自主起始转录,而需由被插入的细胞基因组中的增强子帮助才可转录。若报道基因最终表达,则可推知插入位点附近有增强子,或有基因,即实现了以该增强子陷阱重组体发现增强子的目的。当前第35页\共有38页\编于星期三\22点Nature:颠覆增强子传统认知,揭示惊人稳定的远程关系在胚胎发育过程中增强子在它们激活的很早之前就找到了它们的靶标Furlong实验室的博士后研究人员YadGhavi-Helm发现，在发育的果蝇胚胎中，在基因表达数小时之前就形成了这