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染色质环连接基因表达与转录工厂组装(综述)

  • 作者:
    • 布鲁诺·佩里洛
    • 安蒂莫·米利亚乔
    • 加布里埃拉·卡斯托利亚
  • 查看附属机构

  • 在线发布时间: 2024年4月9日     https://doi.org/10.3892/mmr.2024.13221
  • 物品编号: 97
  • 版权:©版权所有佩里洛 。这是一篇开放存取文章,在条款创意公共资源属性许可证。

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摘要

基因并不是随机分布在核空间中,相反,它们占据着核层以及彼此之间的精确位置。这一观察结果建立在当今广为接受的核领域概念的基础上,在核领域中,任何染色体都显示出与其他选择染色体之间的可复制空间连接,这符合功能标准,即响应相同刺激的基因被分组在同一位置。事实上,转录并不明显,广泛分布在整个细胞核中,而是聚集在几个“颗粒”中,称为转录工厂,可容纳约10个同时转录的基因。染色体的这种动态行为是由染色质可塑性的变化所允许的,染色质可塑性由几种蛋白质控制,这些蛋白质要么改变其结构,要么诱导核小体蛋白质组分的翻译后修饰,触发染色体环的形成,从而改变DNA链上特定位点的位置。例如,与核受体相关的转录有益于核活性氧的产生,在DNA修复装置激活后,核活性氧会诱导缺口,从而增强螺旋展开和染色体桥接。在本次审查中,为了研究针对特定触发点而组装的转录工厂的组成,强调了染色体结构解释协议正在发挥和将在不久的将来发挥的作用:引用了雌激素敏感转录,但作者相信这是相同的描述将通过大量(如果不是全部)其他刺激进行观察。

介绍

人类细胞核中有46条染色体被组织到较小的域中,从而可以打包不同的结构亚单位具有不同的功能。染色体在核空间内占据特定位置,称为染色体区域,进一步细分为染色体分室[拓扑相关结构域(TAD)]显示启动子和增强子之间的特定关联站点(1). 现在是普遍的接受共同调控基因在不同基因中的位置染色体不是偶然的,因为它们在不同细胞的核空间(2):这幅画位于“染色体区域”的概念,其中空间相关性在细胞生命中染色体之间的变化(). 在这个模型中,任何基因都会显示不同的邻居取决于细胞的特定阶段循环,特别是其激活状态,指示存在驱动染色质的特定分子装置机动性(4). 作为染色体区域,也已经证明该基因表达分为几个位点,称为转录工厂,共享激活刺激的基因同时转录的(图1)(5,6). 物理上,转录工厂可被视为直径约为50–100的核颗粒nm达到不同细胞类型之间不同的数值范围从几百到30000(7,8).它们表现为染色质枢纽,其中至少有两种不同的活性RNA聚合酶在两个不同的靶点上合成RNA(9,10),并含有达到局部浓度的多蛋白复合物足以完成共调控基因的有序表达(11). 特别是,它已经计算出任何工厂平均包含8-10个活性基因(12,13).

染色质环和基因分布在不同的地区和转录工厂

支持共定位的分子机制同一工厂内的基因需要进行更深入的研究细节;然而,它本质上是基于染色质的特殊灵活性允许产生能够改变基因相对位置的循环沿着染色质纤维。在这方面,可以假设染色质的大规模随机运动可能允许共同激活基因以满足工厂需求,触发多步骤推动他们有序招聘到工厂的流程(14,15). 这个过程意味着参与不同类别的蛋白质,如染色质修饰剂,转录因子,尤其是环化因子。基因循环需要特别考虑,因为它决定了增强子和靶基因主要通过不同的结构DNA结合蛋白参与的机制通过与一般或细胞特定因子相互作用形成循环(16,17). 此外,有时涉及一般转录因子的直接活性包括有助于循环的中介复合体和内聚素促进剂和促进剂之间(18),而其他一些转录ZNF143和YY1等因素已被证明会增强染色质环的形成以驱动特异性的定位细胞核内的位点(19,20).此外,增强子和非编码RNA分子已被深入研究参与特定基因的增强子和启动子位点之间的循环基因,使这两种元素按顺序在物理上接近以允许正确的转录处理和指示染色质环化是增强子RNA作用的特征之一控制(2123). 最后,基因循环也令人担忧在大多数情况下,桥接基因的3′端多聚腺苷化位点已被揭示为正确的转录输出(24).有趣的是,循环因素对通过与转录因子建立蛋白质桥已经位于共享工厂(25)以这种方式治理不平等转录在整个细胞核中的分布增益优化基因表达(图。1) (26).

染色体核空间的分离领土并不是无弹性的,变化是为了应对形成染色质分区的环境刺激与发展进程的限制并行(27). 特别是基因组在多能干细胞的细胞核内广泛分布细胞,可能是由于这些细胞中存在染色质纤维(28). 然而,在血统形成期间规范,染色质迁移率和特定基因沉默背后的转录噪声必须到达(29,30). 作为专业化过程进展,染色质致密性随着大面积的缺乏沿着核膜堆积的DNA的细胞核核仁附近:与大多数相关的图像基因转录抑制和随后出现的抑制标记占优势的几个层相关域(31). 染色质的这些状态折叠是在细胞类型专门化过程中获得的通常是可逆的,这取决于环境信号:以一个突出了特定的细胞功能,由杆状光感受器表示中央可以观察到染色体紧密排列的细胞核空间而不是外围空间。事实上在这些细胞中,染色质作为散射的物理屏障光线通过时,其核分布似乎符合基因表达的调控(32). 概念的发展转录工厂及其某些特征工厂揭示了转录因子如何驱动控制背景下的拓扑基因组重组基因表达。作者的经验得到了关注主要作用于类固醇受体,尤其是雌激素和维甲酸受体,但TF介导转录工厂的组装包括Nanog(33)和Sox2(34)在多能性分化中干细胞,Klf1(35)在红细胞分化(36)和MyoD(37)在肌肉发生期间,Pax5(38)在B细胞分化中。

同样重要的是要澄清转录工厂本身具有明确的定义实体,但更深入了解三维染色质变化与转录激活相关的对核结构的深入了解,如无膜细胞器(39). 有证据表明核冷凝物的形成可能参与调节基因表达的各个方面,如大量转录激素受体等因子经历液-液相分离,导致MLO形成的过程。雄激素受体(AR)、雌激素受体和糖皮质激素受体(GR)在存在介体复合物的情况下观察到冷凝液亚单位1。冷凝液的形成服从于受体与特定染色质区域的相互作用核心。配体结合的类固醇受体转移到细胞核,在那里它们形成转录活性中心。一直以来据报道,AR和GR病灶具有MLO的特性(40). 因此,这是可以想象的包括类固醇受体色素在内的MLO的形成复合物有助于稳定转录工厂架构和两个过程的集成分析可以全面了解基因的调控表达式。

在细胞分化和生长是癌症,改变的核结构显示染色体对细胞核的不规则占据染色质的致密性及其DNA含量。尤其是癌症细胞显示出核仁的外观和数量的变化,第一批描述的转录工厂在附近组装核仁组织区域(41). 事实上,数量的增加核仁的减少平行于接触稳定性的降低携带rRNA位点的染色体之间,以及可能影响适应性反应的核组织。在这个考虑到这一点,细胞已经进化出一种复杂的机制来保护染色质迁移的核空间组织通过限制其振幅的因素进行平衡;然而,在转化细胞在调节之间的桥接变化诸如增强子或带有促进剂的绝缘体之类的元素记录在案的(42). 增加癌症基因组的流动性也可能是基因表达的增加与随后的表型癌细胞间的变异性是肿瘤发生的基础与转录因子接触改变导致的进展通常控制基因表达(43). 例如Myc公司伊格基因,最常见于浆细胞瘤细胞(44),共享可能是因为他们需要相似的工厂启动易位过程的转录因子(45,46). 观察到的基因组增加流动性可能是由于,至少在某些情况下基因组组织蛋白(如SATB1)的活性参与侵袭性肿瘤表型的出现(47). 最后基因组和染色体的三维结构据报道,癌细胞发生了改变同时转录的区域可用于预测恶性肿瘤中常见的基因拷贝数变异单元格(48,49).

突出实验策略转录环

染色体构象捕获(3C)

众所周知,转录是受N端翻译后修饰的支配代表主要蛋白质的组蛋白八聚体的尾部核小体的组成部分,是染色质的基本亚单位。此类修改遵循精确的代码(50),尤其针对调控转录因子与DNA的相互作用位于待激活基因的启动子区域和/或压抑的(51,52). 在这些修改中,赖氨酸4(K4)的甲基化和赖氨酸9(K9)的去甲基化组蛋白H3是八聚体组蛋白盘最突出的尾部,主要参与基因激活(53,54).特别是,H3K9的脱甲基是由特定的激活基因调控位点的去甲基化酶(55),并生产核能诱导单链DNA断裂的活性氧(ROS)规则染色质可塑性,减轻生产转录输出(56,57).

为了分析基因折叠的参与在雌激素诱导的应答基因表达中之前描述的策略“捕获染色体构象”,也被称为“3C”首先出现(58). 在合成中,实验设计是基于在任何情况下接触频率的量化线性DNA上距离较远的两个基因座之间的时间,如定量聚合酶链反应(qPCR)扩增与之前相比,产生了更加丰富的数据基于光学显微镜的策略,并提供更深入的见解特定位点的空间组织(图2).

3C实验设计的主要步骤可能是总结如下:i)染色质交联甲醛等可溶性固色剂生成共价键蛋白质桥接的DNA位点之间的键;ii)隔离以及用选定的限制性内切酶消化染色质;iii)在低DNA水平上连接消化片段的粘性末端浓度有利于分子内而非分子间结扎;iv)反向交联以获得纯化DNA通过qPCR使用包含假定位点片段的位置特异性引物在研究的实验条件下进行桥接;v) 交联模板PCR结果与无桥接控制模板,以区分非特定结扎。原则上,两者之间的交联频率DNA上的位点与其相对距离成反比除非它们被一种特殊的蛋白质置于空间接触因素。因此,三维(3D)图片通过比较可以推断出特定轨迹的结构交联染色质与对照组的连接频率(图2).

历史上,酵母染色体III一直是首次被分析,其3D构象已经揭示端粒之间的接近性赋予染色体一类环的形式(58).接下来,采用3C实验方法对乳腺进行分析电池,即使它可以特别用于检测触点仅跨越数百千个碱基的站点之间(59),它证实了启动子/增强子及其之间的动态染色质环靶基因,赋予染色质特殊的构象取决于转录状态(6062).

在3C试验中,证明雌激素响应元件位于下游约1.5 kb处雌激素反应基因的转录起始位点bcl-2基因桥接含有雌激素的复合物转录复合物位于启动子上的受体同一基因。此外,启动子之间的循环5′端和聚腺苷化位点所在的3′端,已被广泛评估,支持3′的概念末端加工因子与转录机制的桥梁(63,64).

DNA提取染色质(DPC)

3C无疑代表了一个经典、强大的工具识别基因环;然而,它需要沿着基因战略性地定位合适的限制位点调查并在DNA和限制性内切酶浓度提高分子内连接。为了克服这些瓶颈通过引入几个蛋白质组学分析方法的改变染色质上组装的多蛋白复合物(65)被提议。这种策略称为作者提出的DPC(DNA选择染色质)包括激发或未激发细胞的交联染色质雌激素,通过超声波处理和生物素化寡核苷酸杂交与调查现场互补的探测器,然后磁性链霉亲和素微球的捕获(图3). DNA位点的存在然后,通过qPCR发现探针杂交的位点从洗脱液中提取和纯化的DNA的扩增去交联后的碎片。作为对照,PCR反应为在杂交前使用染色质或裸DNA作为模板(输入),并恢复检索到的探测区域假设每个实验条件的DNA作为基线与检索到的关联站点的相对数量进行比较在同一个实验点。此外,为了解决出现的问题通过空间染色质组织的可能变化转录刺激,使用多种探针推荐。总之,该策略假设两个站点可以只有当探针被蛋白质桥接时,才能被探针共同捕获在转录触发时招募,独立于它们在线性DNA上的距离,可以想象为染色质免疫沉淀(ChIP)被DNA探针取代(图。) (66).

由于DPC策略,空间关系在增强子和聚腺苷化位点之间bcl-2基因基因首次分析添加雌激素后发现增强子探针(65). 更多重要的是,此技术允许评估内部的连接位于18号染色体上的该基因与另一个雌激素敏感基因,RIZ公司,位于染色体上1,作者能够检测到bcl-2基因拯救DNA杂交时的增强子和多聚腺苷化位点具有RIZ公司促进剂被用作诱饵(65). 值得注意,两个不同1号和18号染色体被证明占据相邻的位置核空间内的领土以及作者认为这取决于同源词的组装激素刺激后的转录复合物(67). 据评估H3K9me2的去甲基化对形成激素依赖基因的转录诱导环化(66).

环状染色体构象捕获(4C)

已经证明了通过转录(通过活性氧产量增加导致单链断裂由于去甲基化酶活性)和建立环允许在同一个区域内分配同时转录的基因转录工厂,进一步的步骤由与这种基因组装有关的基因的鉴定工厂,从一个对被调查的触发器是公认的(目前在这种情况下,诱饵由雌激素敏感基因表示)。事实上,正如图中所示图1如果雌激素反应工厂被想象成一朵花,其转录基因是雌蕊和介入的DNA花瓣,那么目标应该是形成工厂/花的基因的解释建立与诱饵的联系(图3).

为了实现这个目标,因为3C和DPC都专注于两个已知基因座之间的相互作用(为此称为“一对一”),然后可以专门用于检测已知区域之间的空间相互作用(68),需要使用an-omics方法由3C或DPC程序生成的产品作为库这需要进一步治疗。在这方面,越来越多的家庭相关策略已被报道,其中3C-on-chip(69)和开放式3C(70),主要基于第二次循环生成的染色质片段限制性内切酶。因此,作者现在的注意力将是指出4C实验方法代表了评估共同应答基因参与的方案相同的转录工厂(“一对所有”方法)(71). 在合成中,程序可概括如下:交叉染色质处理为通过以下方法从限制性杂交片段生成环状DNA分子第二种限制性内切酶在高连接酶浓度下的应用以及延长孵育时间。交联反转后,跨越DNA位点两端的巢式PCR引物选择作为探针用于放大严格落下的任何序列接近诱饵(也称为“视点”),然后,结扎。对扩增的结扎产物进行测序以评估基因(或其特定位点)的所有空间伙伴在调查中,提供了所有雌蕊的身份花(图4) (72).

结论和未来展望

4C已被证明是一种有用的突出短程相互作用以及远距离站点之间的远程空间交互(73); 因此,它显示为获得完整检测基因的选择策略与雌激素反应基因共定位第二阶段之后激素挑战(74). 相同的该战略可能允许评估任何由任何转录物建立的转录工厂触发整个细胞寿命,无论是在生理上还是以及病理状况。

总之,本次简要审查的范围是强调研究三维空间的重要性染色质结构,希望提供简洁总结,基于作者对加深对这一问题认识的主要方法;这个各自的优势和局限性在表一.

表一。

虽然4C毫无疑问会出现作为发现和分析新事物的最有效方法转录工厂,应该重申3C和不太广泛的DPC技术仍然是非常有效的工具在调查特定目标时。

表一。

虽然4C毫无疑问会出现作为发现和分析新事物的最有效方法转录工厂,应该重申3C和不太广泛的DPC技术仍然是非常有效的工具在调查特定目标时。

技术优势限制
3C公司易于使用,高度灵敏度低可能限制场地不可用,不希望的结构改变由于交叉链接,仅针对两个已知站点提供信息
DPC公司独立于限制位点的可用性,无可能的实验人工制品,速度快,灵敏度高,成本可忽略不计仅供参考对于两个已知站点,受到一些三维染色质结构
4摄氏度允许转录工厂的全基因组分析可能限制站点的不可用(相当昂贵)需要初步'生物信息学'分析

[一]4C,圆形染色体构象捕获;DPC、DNA染色质;3C、,染色体构象捕获。

致谢

不适用。

基金

本研究由意大利健康-最终研究项目RF-2019-12368937“瞄准乳腺癌中新型胰岛素/IGF驱动的信号网络(批准号CUP D69J21001840001)。

数据和材料的可用性

数据共享不适用于本文,因为当前期间未生成或分析任何数据集研究。

作者的贡献

BP构思、撰写并编辑了这份手稿。调幅讨论并修改了手稿和准备的数字。GC公司讨论并修改了手稿。所有作者阅读并批准最后的手稿。数据身份验证不适用。

道德批准和同意参与

不适用。

患者同意发布

不适用。

竞争性利益

作者声明他们没有竞争对手利益。

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2024年6月
第29卷第6期

打印ISSN:1791-2997
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