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技術(shù)文章

轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控原鈣粘蛋白三維基因組機(jī)制研究取得重要進(jìn)展

點(diǎn)擊次數(shù):1010 發(fā)布時(shí)間:2021-5-18

 

在大腦發(fā)育過(guò)程中,人類(lèi)860億個(gè)神經(jīng)元必須通過(guò)數(shù)萬(wàn)億突觸進(jìn)行連接,形成復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),來(lái)完成準(zhǔn)確的信號(hào)傳遞和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知信息的有效處理。大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的失敗或異常會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)精神障礙。為了形成合適的突觸連接,神經(jīng)元進(jìn)化出了自我回避機(jī)制來(lái)區(qū)分各自的*性,以最大限度地形成功能性突觸連接。脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物的神經(jīng)自我回避都需要細(xì)胞表面識(shí)別分子的*組合表達(dá)來(lái)產(chǎn)生單個(gè)細(xì)胞表面的分子識(shí)別代碼。在哺乳動(dòng)物中,原鈣粘蛋白家族的約60個(gè)基因的隨機(jī)選擇性表達(dá)產(chǎn)生的分子多樣性,就為大腦中單個(gè)神經(jīng)元提供了自我回避所需的細(xì)胞特異性。原鈣粘蛋白是如何選擇性地抑制部分成員而讓其他成員表達(dá)的分子機(jī)制尚未被*闡明。

神經(jīng)元特性的有序獲得及維持需要下調(diào)轉(zhuǎn)錄抑制因子來(lái)解除神經(jīng)特異性基因的抑制狀態(tài)。抑制元件的沉默轉(zhuǎn)錄因子REST或者叫神經(jīng)元限制性沉默因子,就是一個(gè)重要的神經(jīng)基因的抑制因子,它能抑制神經(jīng)前體細(xì)胞和非神經(jīng)細(xì)胞中大量神經(jīng)特異性基因的表達(dá)。REST是一個(gè)含有串聯(lián)排列鋅指結(jié)構(gòu)域的鋅指蛋白,通過(guò)串聯(lián)排列的鋅指結(jié)構(gòu)域與人類(lèi)基因組中成千上萬(wàn)的位點(diǎn)結(jié)合后,抑制相應(yīng)基因的表達(dá),REST是怎樣識(shí)別人類(lèi)基因組中成千上萬(wàn)的位點(diǎn)這一核心問(wèn)題一直沒(méi)有得到解決。

吳強(qiáng)團(tuán)隊(duì)致力于原鈣粘蛋白三維基因組表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)制研究。在此研究中,該團(tuán)隊(duì)鑒定出原鈣粘蛋白超級(jí)增強(qiáng)子和可變外顯子中的REST結(jié)合位點(diǎn)的圖譜。該研究通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)REST通過(guò)其串聯(lián)排列鋅指結(jié)構(gòu)域,以堿基特異性反向平行的方式識(shí)別人類(lèi)基因組中成千上萬(wàn)的位點(diǎn),這種方向性的結(jié)合對(duì)于REST調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)基因表達(dá)至關(guān)重要,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)REST通過(guò)構(gòu)象轉(zhuǎn)換的方式來(lái)識(shí)別人類(lèi)基因組中不同類(lèi)型的結(jié)合位點(diǎn),解開(kāi)了人類(lèi)基因組為什么具有不同類(lèi)型的REST位點(diǎn)這個(gè)長(zhǎng)久的未解之謎。人類(lèi)基因組中有800多種轉(zhuǎn)錄鋅指蛋白的基因,本研究的發(fā)現(xiàn)對(duì)于闡明鋅指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別和構(gòu)建人類(lèi)基因組的機(jī)制具有重要意義。

最后,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的DNA片段編輯技術(shù),發(fā)現(xiàn)REST能夠抑制超級(jí)增強(qiáng)子和靶向啟動(dòng)子之間的遠(yuǎn)距離相互作用,這種三維基因組染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的改變,伴隨著染色質(zhì)表觀遺傳學(xué)修飾的改變,以及染色體架構(gòu)蛋白CTCF富集的增加和DNA甲基化的降低,即REST通過(guò)方向性基因組結(jié)合后,借助CTCF介導(dǎo)的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子間的特異性相互作用和染色質(zhì)表觀遺傳學(xué)修飾來(lái)改變?nèi)S基因組染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu),遠(yuǎn)距離地抑制神經(jīng)基因的表達(dá)。與傳統(tǒng)的啟動(dòng)子附近REST結(jié)合位點(diǎn)抑制近距離基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制相比,這個(gè)發(fā)現(xiàn)是個(gè)全新的機(jī)制,且為全面研究神經(jīng)基因是在組織器官發(fā)育中是抑制機(jī)制奠定了基礎(chǔ)

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