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1、增强子的特点和作用机制,侯启如2018年10月25日,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。,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sonic hedgehog(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。,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 链基因的增强子位于启动子下游 69kb以 外,
2、而果蝇 cut基因座翅缘增强子位于其启动子上游 85kb以外,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,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
3、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。,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。,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。,增强子的作用机制,在哺
4、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。,增强子的作用机制模型,成环模型(Looping model),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
5、，从而起转录增强作用。这一模型已得到普遍的认可。,E,P,P,E,Looping,对于 珠蛋白基因簇的介绍,HS5,HS4,HS3,HS1,HS1,HS2,HS4,HS5,HS3,HS2,在任何时间，只有一个基因可以与全复合体相互作用,-珠蛋白基因的转录,-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(HS 1-5)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,为了克服由于结合过程中 DN A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 MHG I,它们是 HMG蛋白（高迁移率族蛋白）家族中
6、两类序列特异性的 DNA弯曲蛋白(DNA bending protein)。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。,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。,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，
7、欲使其弯曲需要很大的能量。,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。,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,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,染色质环境,P选择性接触E1，因为
8、E2与p的相容性被染色质环境改变。,滑动模型(tracking model),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,利用 ATP的染色质重建因子除了促进 DN A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。,异化追踪模型（Facilitated tracking model）,是滑动模型和成环模型的结合，特
9、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。,链接模型（Linking model）,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,E,P,E,P,linking,Hs5 Hs4 Hs3 Hs2 Hs1,Hs5 Hs4 Hs3 Hs2 Hs1,Hs5 Hs4 Hs3 Hs2 Hs1,CHIP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k
10、b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,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。,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DNase
11、敏感区，因而构成RNA聚合酶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DNase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。,(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Dnase 敏感区实验还证实缺失3个Z一D N A形成片段的SV40是不能存活的,而除去两个 Z一D N A 形成片段的增 强子接到-珠蛋白基因上也失去增
12、强活性(3)超敏感部位或其附近可能含有能从 Z一D N A 转变为 B一D NA 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。,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。,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
13、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,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
14、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。,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Yad Ghavi-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些DNA环，建立了接触，并招募了基因阅读机器。这些结果表明，这个系统全提前准备就绪，做好了准备在需要的时候投入行动。,留待解决的问题,这一研究开启了更多进一步的问题：增强子环是在胚胎生命的什么时候形成？在基因关闭之后这些环仍然存在多久？如果环形成不是基因激活的触发器，那应该是什么？他们发现的这些接触的确切作用是什么？最后，还存在一个技术挑战性的问题：揭示出一种增强子的所有互作是否在同一细胞中同时发生。,谢谢！,
