분자생물학 3

진핵생물 유전자 발현의 전사 수준 조절

유전자 전사, 번역 및 DNA 공간 구조 측면에서 진핵세포와 원핵세포 사이에는 다음과 같은 차이점이 있습니다.

1. 진핵 세포에서 성숙한 mRNA 사슬은 폴리펩티드 사슬로만 번역될 수 있습니다. 원핵 생물에서 흔히 볼 수 있는 다중 유전자 오페론 형태는 진핵 세포에서는 상대적으로 드뭅니다.

2. 진핵세포의 DNA 히스톤은 다수의 비히스톤 단백질과 결합되어 있으며 DNA의 일부만이 노출되어 있다.

3. 고등 진핵 세포의 DNA 대부분은 전사되지 않습니다. 진핵 세포에는 전체에 걸쳐 수백 번 또는 그 이상 반복되는 몇 가지 또는 수십 개의 염기로 구성된 DNA 서열의 일부가 있습니다. 게놈. 또한, 대부분의 진핵 세포의 유전자에는 번역되지 않은 인트론이 있습니다.

4. 진핵생물은 성장과 발달 단계의 필요에 따라 DNA 단편을 질서있게 재배열할 수 있으며 필요할 때 세포 내 특정 유전자의 복제 수를 늘릴 수도 있습니다. 이 능력은 원핵생물 중에서는 극히 드뭅니다.

5. 원핵생물에서는 전사 조절 영역이 매우 작으며, 대부분이 전사 시작 부위에서 멀지 않은 상류에 위치합니다. 조절 단백질이 조절 부위에 결합하는 것은 직접적으로 촉진되거나 억제될 수 있습니다. RNA 폴리머라제의 조합. 진핵생물에서 유전자 전사 조절 영역은 훨씬 더 크며 핵심 프로모터로부터 수백 또는 수천 개의 염기쌍 떨어져 있을 수 있습니다. 이러한 조절 영역은 단백질에도 결합할 수 있지만, RNA 중합효소에 대한 프로모터 영역의 수용성에 직접적인 영향을 미치지는 않지만 제어되는 유전자의 전체 5' 상류 영역의 DNA 구성을 변경하여 RNA 중합효소와의 상호작용에 영향을 줍니다. 능력.

6. 진핵생물의 RNA는 핵에서 합성되며 핵막을 통과하여 세포질 기질에 도달한 후에만 단백질로 번역될 수 있습니다. 이러한 엄격한 공간 분리는 원핵생물에는 존재하지 않습니다.

7. 많은 진핵생물 유전자는 복잡한 성숙과 접합 과정을 거친 후에야 성공적으로 단백질로 번역될 수 있습니다.

유전자 전사 조절의 기본 요소에는 시스 작용 요소(코딩 영역), 트랜스 작용 인자(트랜스 작용 인자) 및 RNA 폴리머라제(RNA 폴리머라제)가 포함됩니다.

시스 작용 요소는 유전자의 프로모터 및 조절 서열을 의미합니다. 주로 발기인, 강화제, 소음기 등이 포함됩니다. 트랜스-작용 인자는 유전자 발현을 조절하기 위해 시스-작용 요소에 결합할 수 있는 단백질 또는 RNA를 의미합니다. 원핵생물에는 단 하나의 RNA 중합효소가 있는 반면, 진핵생물에는 서로 다른 RNA 산물의 전사를 촉매하는 세 개의 RNA 중합효소가 있습니다. 진핵생물의 세 가지 RNA 중합효소 중 RNA 중합효소 II만이 성숙한 처리 후 삼중항 코드의 원리에 따라 메신저 RNA 전구체를 전사하고 이를 단백질 산물로 번역할 수 있으므로 여기서는 주로 RNA 중합효소 II의 유전자 전사에 대해 논의하겠습니다. 그리고 그 규제 과정.

진핵생물의 유전자 프로모터는 코어 프로모터와 업스트림 프로모터로 구성되어 있으며, 유전자 전사 시작 부위(+1)와 5' 업스트림의 100~200bp 내에 위치한 독립적인 프로모터 그룹입니다. 기능성 DNA 서열은 각 요소의 길이가 7~20bp이며, RNA 중합효소 II 전사 시작 부위와 전사 빈도를 결정하는 핵심 요소이다.

1. 코어 프로모터는 전사 시작 부위 및 전사 시작 부위의 상류를 포함하여 RNA 폴리머라제 II 전사의 정상적인 개시를 보장하는 데 필요한 최소 DNA 서열을 의미합니다. - 25~-의 TATA 영역 30bp. 단독으로 작용하는 핵심 프로모터는 전사 시작 부위만 결정하고 기본 수준의 전사를 생성할 수 있습니다.

2. 업스트림 프로모터 요소(UPE)? CAAT 영역(CCAAT) 및 GC 영역(GGGCGG)을 포함하며 일반적으로 TF II D 복합체에 의해 조절될 수 있습니다. 개시 및 증가된 전사 효율.

전사 시작 부위부터 RNA 중합효소 II 전사가 종료되는 부위까지의 전체 DNA 서열을 포함합니다.

RNA 폴리머라제 II는 프로모터 코어 서열의 TATA 영역에 직접 또는 간접적으로 특이적으로 결합하여 전사를 시작할 수 있는 일종의 조절 단백질입니다. RNA 폴리머라제 II는 전사 인자의 도움으로 전사 개시 복합체를 형성합니다.

RNA 중합효소 II는 최소 10~12개의 하위 단위로 구성됩니다. 각 하위 단위의 상대 분자량은 1X10^4~2.4X10^5입니다. 일부 하위 단위는 중합효소 I과 III에도 사용됩니다.

4. RNA 폴리머라제 Ⅱ의 기본 전사에 필요한 단백질 인자("TF Ⅱ"로 표시) 생리적 조건 하에서 RNA 폴리머라제 Ⅱ의 기본 전사에 필요한 단백질 인자는 전사 개시 복합체를 형성합니다. . TF Ⅱ D, TF Ⅱ B, TF Ⅱ F와 RNA 중합효소 Ⅱ는 프로모터에서 가장 일차적인 복합체를 형성하여 mRNA 전사를 시작할 수 있으며, TF Ⅱ E와 TF Ⅱ H를 첨가하면 완전한 전사 복합체가 형성되어 오랫동안 전사됩니다. -chain RNA에 TF IIA를 추가하면 전사 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다. RNA 중합효소 Ⅱ가 주형을 따라 미끄러질 때 TF Ⅱ D와 TF Ⅱ A는 전사 시작 부위에 머무르고, 다른 인자들은 중합효소와 함께 주형 DNA의 3' 말단으로 이동한다. 현재 RNA 중합효소 II가 어떻게 전사 개시 복합체에 통합되어 기능하는지에 대한 두 가지 가설이 있습니다. 하나는 1단계 결합이고 다른 하나는 단계별 결합입니다.

인핸서는 자신과 연결된 유전자의 전사 빈도를 현저히 증가시킬 수 있는 DNA 서열을 말한다.

진핵생물의 프로모터와 인핸서는 여러 DNA 서열 요소로 구성되는데, 이는 종종 특정 기능 유전자와 연결되어 있기 때문에 시스 작용 요소라고 합니다. 이러한 서열은 유전자 전사의 조절 영역을 구성하고 유전자 발현에 영향을 미칩니다. 전사 조절 과정에서는 조절 영역 외에도 trans-acting 인자도 필요합니다. 다양한 기능에 따라, 트랜스-작용 인자는 종종 프로모터 요소를 인식하는 기능을 가진 기본 전사 인자, 인핸서 또는 침묵제를 인식할 수 있는 전사 조절인자, DNA-단백질 상호작용을 필요로 하지 않는 전사 인자로 분류됩니다. 규제 요인.

실험에서 처음 두 가지 유형의 거래 작용 인자는 흔히 전사 활성화 인자와 전사 억제 인자를 포함하여 전사 인자(TF)로 통칭됩니다. 이러한 유형의 조절 단백질은 전사 시작 부위의 상류 서열 또는 원위 인핸서 요소를 인식하고 결합할 수 있으며, DNA-단백질 상호작용을 통해 전사 활성을 조절하고, 다양한 유전자의 시간 및 공간 특이적인 발현을 결정할 수 있습니다.

***조절자 자체에는 DNA 결합 활성이 없으며 주로 단백질-단백질 상호 작용을 통해 전사 인자의 분자 구조에 영향을 미쳐 전사 활성을 조절합니다. 실험에서는 전사 활성제와 시너지 효과를 갖는 전사 조절인자의 유형을 흔히 전사 활성제라고 부릅니다.

모든 전사 활성제는 표적 부위(프로모터, 인핸서)를 인식할 수 있지만 표적 부위의 특이성은 결정됩니다. DNA 결합 도메인의 특정 서열에 의해. DNA 결합 도메인은 특정 서열에 결합하여 활성화 인자의 전사 활성화 도메인을 기본 전사 영역에 가깝게 만듭니다.

식물학 관련 분야에서 과학 연구자들은 관련 원리를 사용하여 유도 가능한 태그가 포함된 변환 벡터를 구성합니다. 먼저, 융합된 전사 인자(DNA 결합 도메인, 전사 활성화 도메인 및 수용체 조절 도메인)은 구성적으로 발현됩니다. 작은 화학 분자가 실험에 추가되면 작은 분자는 수용체 조절 도메인에 결합하여 융합 발현 전사 인자가 형태를 변경하고 세포질 기질에서 핵으로 이동하도록 합니다. 융합 단백질은 해당 DNA 결합 도메인을 특이적으로 인식하고 결합할 수 있으며, 단백질의 전사 활성화 도메인은 관련 유전자의 고수준 발현을 활성화할 수 있다. (간단히 말하면 전사 인자입니다. 1. DNA 결합, 2. RNA 폴리머라제 결합, 3. 일부 화학적 조절 인자의 결합 및 조절의 세 가지 도메인이 있습니다. 특정 작은 화학 분자를 추가한 후 전사 인자는 활성화입니다. )

전사 인자: TATA 영역을 인식하는 TF Ⅱ D, CAAT 영역을 인식하는 CTF, GGGCGG를 인식하는 SP1, 열 충격 단백질 프로모터 영역을 인식하는 HSF. 각 셀은 약 60,000개의 SP1을 포함할 수 있는 반면 CTF의 함량은 셀당 300,000만큼 높은 것으로 알려져 있습니다.

Trans-acting Factor는 다양한 cis-acting 요소의 핵심 서열을 직접 또는 간접적으로 인식하거나 결합할 수 있으며, 표적 유전자의 전사 효율 조절에 참여할 수 있는 단백질입니다.

일반적인 DNA 결합 도메인에는 기본 아미노산 결합 도메인, 산성 활성화 도메인, 글루타민(Q) 풍부 도메인, 프롤린(P) 풍부 도메인 등이 포함됩니다. 일반적으로 대부분의 리간드 조절 수용체에는 DNA 결합 도메인과 전사 활성화 도메인이 있습니다. 스테롤 수용체는 일반적으로 N 말단에 DNA 결합 도메인이 보존되어 있고 C 말단에 호르몬 결합 도메인이 있는 전사 인자입니다.

1. HTH(Helix-turn-helix) 구조(이 구조는 DNA를 결합하도록 설계되었습니다.) 이 유형의 단백질 분자에는 중간에 짧은 나선이 있는 최소 2개의 α-나선이 있습니다. 측쇄 아미노산 잔기는 "회전"을 형성하고 카르복실 말단 근처의 α-나선에서 아미노산 잔기의 치환은 DNA 이중 나선의 주요 홈에 있는 단백질의 결합에 영향을 미칩니다. 효모 교배 유형을 제어하는 MAT 유전자좌와 초파리 체절 발달 조절 유전자(antp, ftz, ubx)와 같은 호메오박스 유전자에 의해 암호화된 단백질은 모두 HTH 구조를 가지고 있습니다. DNA와 상호작용할 때 호메오도메인 단백질의 첫 번째와 두 번째 나선은 바깥쪽에 가까운 경향이 있으며, 세 번째 나선은 DNA의 주요 홈에 결합하고 여분의 N 말단 팔을 통해 DNA의 마이너 홈에 결합합니다.

호메오도메인(Homeodomain)은 60개의 보존된 아미노산 서열을 코딩하는 DNA 세그먼트를 의미하며, 초파리 호메오틱 유전자좌(이 유전적 위치의 유전자 산물이 신체의 이름을 결정함)에서 처음 발견되었기 때문에 진핵생물 게놈에 널리 존재합니다. 발생 과정에서 복제됨) 상동 전환 유전자는 생물학적 유기체의 성장, 발생 및 분화와 밀접한 관련이 있습니다. 상동성 전환 영역을 포함하는 많은 유전자는 전사 조절 기능을 가지며, 상동성 전환 영역의 아미노산 서열은 DNA 결합 영역 형성에 참여할 가능성이 높습니다. 다음은 상동 스위칭 영역을 포함하는 일부 전사 인자에 의해 인식되는 DNA 서열과 Pit-1/GHF-1에 의해 인식되는 핵심 서열은 염기 차이가 1개뿐인 반면, Drosophila en , ftz 및 ubx 유전자 산물은 정확히 동일한 DNA 서열을 인식합니다. eve 유전자 산물은 전자와 동일한 서열을 인식하는 것 외에도 또 다른 표적 서열도 인식합니다.

Oct-1과 Oct-2는 프로모터의 8개 염기 영역에 특이적으로 결합합니다. 둘 다 75개 아미노산 pou 영역과 60개 아미노산 상동성 전이 영역을 포함합니다. Oct-1과 Oct-2의 호메오박스는 전형적인 Drosophila 상동 전이 영역(60개 아미노산 중 20개만 동일하고 8개의 보존적 치환이 있음)과 크게 다르지만 이 두 단백질에서는 이 영역이 다릅니다. 고도로 보존되어 있습니다(60개의 아미노산 중 53개가 동일함).

2. 아연 핑거 구조? 아연 핑거 구조 계열 단백질은 크게 아연 핑거, 아연 트위스트, 아연 클러스터 구조로 나눌 수 있으며, 이들의 독특한 시스테인과 히스티딘 잔기 사이의 아미노산 잔기 수는 입니다. 기본적으로 일정하며 아연이 포함된 경우에만 전사 조절 활성을 갖습니다. 반복되는 징크핑거 구조는 아연원자를 중심으로 베이스에 α-나선과 역평행 β-시트로 구성되며, 한 쌍의 시스테인과 한 쌍의 히스티딘 사이의 배위결합으로 연결되어 튀어나온 라이신과 아르기닌이다. 아연 고리의 DNA 결합에 관여합니다.

징크핑거 구조의 각 α나선은 구체적으로 3~4개의 염기를 인식할 수 있습니다. 특정 DNA 서열을 인식하기 위한 다양한 징크핑거 구조의 특성과 뉴클레아제가 표적 DNA를 절단할 수 있다는 원리를 이용하여 과학 연구자들은 징크핑거 뉴클레아제(ZFN)라고 불리는 새로운 유형의 제한 엔도뉴클레아제를 얻었습니다. 징크핑거 구조의 보편적 서열에서 7개의 X 서열을 변화시키면 서로 다른 DNA 서열을 인식할 수 있다는 점에 착안하여, 특정 DNA 서열을 인식하는 α-나선을 인위적으로 설계하고, 나선 사이의 연결 서열로 TGEK를 사용하여 구축하였다. 인공 징크 핑거 도메인 쌍과 Fok I 융합 단백질(ZFN)은 지정된 영역에서 DNA 이중 가닥을 절단할 수 있습니다.

3. 베이직-류신지퍼, 즉 bZIP 구조이다. C/EBP 계열 단백질은 간, 소장 상피, 지방세포 및 일부 뇌 세포에 존재하며 CCAAT 영역 및 바이러스 강화제에 결합하는 능력이 특징입니다. C/EBP 계열 단백질의 카르복실기 말단에 있는 35개의 아미노산 잔기는 α-나선을 형성하는 특징을 가지고 있으며, 6개의 아미노산마다 류신 잔기가 있으며, 이로 인해 7번째 류신 잔기가 나선에 나타납니다. 같은 방향.

4. 기본-나선-루프-나선(basic-helix/loop/helix), 즉 bHLH 구조는 면역글로불린 카파 경쇄 유전자의 인핸서 결합 단백질 E12 및 E47에서 발견됩니다. , 카르복실 말단에서 100~288개의 아미노산 잔기가 비나선형 고리 구조로 분리된 두 개의 양친매성 α-나선을 형성할 수 있습니다.

전사 활성화 도메인

진핵생물에서 . 전달 작용 인자의 기능은 단백질-단백질 상호 작용에 의해 복잡하게 조절되며, 완전한 전사 조절 기능은 일반적으로 복합체 형태로 수행됩니다. 이는 모든 전사 인자가 DNA에 직접 결합하는 것은 아니라는 것을 의미합니다. 따라서 전사 활성화 도메인이 있는지 여부는 거래 인자에 대한 유일한 구조적 기초가 됩니다. Trans-acting Factor의 기능은 다양하며 전사 활성화 도메인도 다양하여 일반적으로 DNA 결합 도메인 외부의 30~100개 아미노산 잔기에 의존합니다. 다양한 전사 활성화 도메인은 일반적으로 다음과 같은 특징적인 구조를 갖습니다.

1. 음전하를 띤 나선형 구조

2. 글루타민이 풍부한 구조

3. 프롤린이 풍부한 구조

연구자들은 cis-작용 요소와 trans-작용 요소의 상호작용 원리를 이용하여 유전자 발현을 조절하는 많은 기술을 개발해 왔습니다. 그 중 최신 응용기술은 TALEN 기술(TALEN=transcription activator-like effector+FokI nuclease fusion Protein)으로, 전사 활성화 인자의 34개 아미노산 반복 펩타이드 세그먼트 중 12번째와 13번째 아미노산을 이용하여 DNA 염기를 특이적으로 인식하는 기술이다. 특징: 표적 염기서열을 인식할 수 있는 TALE 단백질을 탠덤으로 합성하고, 이를 엔도뉴클레아제인 FokI와 융합하여 발현시키며, 특정 인식서열의 하류 9~13bp를 절단하여 특정 내인성 유전자를 녹아웃시키는 기능을 달성합니다.

진핵생물에서 전사 전에 발생하는 염색질 수준의 구조적 조정을 유전자 발현의 후생적 조절이라고 합니다. 이는 주로 DNA 변형(DNA 메틸화)과 히스톤 변형(히스톤 아세틸화, 메틸화)의 두 가지 측면을 포함합니다.

분자 생물학의 최신 연구에 따르면 개인의 발달 과정에서 RNA를 합성하는 데 사용되는 DNA 주형도 정기적으로 변경되어 유전자 발현과 유기체의 발달을 조절하는 것으로 나타났습니다.

반복성이 높은 유전자의 형성은 일반적으로 개별 분화 단계에서 DNA의 특정 변화와 관련이 있습니다. 예를 들어, 성숙한 적혈구는 성숙한 글로빈으로 변환되는 다량의 mRNA를 생성하는 반면, 전구 세포는 글로빈을 생성하지 않습니다. 많은 경우 이러한 변화는 유전자 자체나 복제 수의 영구적인 변화로 인해 발생합니다. 이러한 유형의 DNA 수준 조절은 유전자 손실, 증폭, 재배열 및 전위를 포함하는 진핵생물 발생 조절의 한 형태로, 이를 통해 특정 유전자가 제거되거나 변형되고 그 활성이 변경될 수 있습니다. 이러한 조절 방식은 게놈의 변화를 일으키며, 이는 전사 및 번역 수준의 조절과 다릅니다.

1. "개방형" 활성 염색질 구조가 전사에 미치는 영향 진핵생물 유전자의 활성 전사는 진염색질에서 발생합니다. 전사가 일어나기 전에 염색질은 종종 특정 부위에서 풀리고 이완되어 유리 DNA를 형성합니다. 이러한 변화에는 뉴클레오솜 구조의 제거 또는 변경, DNA 자체의 국소 구조 변경, 심지어 오른쪽 나선형에서 왼쪽 나선형으로의 변화(Z-DNA)가 포함될 수 있습니다. 전사 인자와 개시 사이의 상호 작용을 촉진하여 유전자 전사를 유도합니다. . DNase I을 사용하여 다양한 조직의 염색질을 처리한 결과, 활성 상태의 DNA가 DNase I에 의해 더 쉽게 분해되는 것으로 나타났습니다.

연구에 따르면 활발하게 발현되는 유전자의 염색질에는 일반적으로 하나 또는 여러 개의 DNase I 과민성 부위(과민성 부위)가 포함되어 있으며 대부분은 유전자의 5' 말단 프로모터 영역에 위치하고 있으며 일부는 있습니다. 다른 위치에 있습니다. 비활성 유전자의 5' 말단에 있는 해당 부위는 DNase I에 과민성을 나타내지 않습니다.

어떤 사람은 단일가닥 DNA를 특이적으로 절단하는 SI뉴클레아제를 이용해 유전자가 활발하게 발현되는 염색체 DNA를 처리한 결과, DNA가 가수분해되는 것을 확인했는데, 이는 유전자가 활발하게 발현되면 프로모터의 일부 서열이 분해되는 것을 의미한다. 표면적으로는 프로모터 영역의 DNA가 히스톤 표면에서 "벗겨져" DNase I에 대한 과민성 현상을 형성합니다. 위의 실시간 설명은 과민성 부위의 생성이 염색질 구조의 규칙적인 변화의 결과일 수 있음을 보여줍니다. DNA가 RNA 폴리머라제 및 기타 전사 조절 인자와 쉽게 결합하여 유전자 발현을 시작하고 뉴클레아제에 의해 분해되기 쉬운 것은 바로 이러한 변화 때문입니다.

염색체에 있는 "램프 브러시" 원형 구조의 존재가 유전자의 활성 전사와 관련이 있을 수 있다는 증거가 있습니다.

2. 유전자 증폭

유전자 증폭이란 특정 유전자의 복제 수가 구체적이고 크게 증가하는 현상을 말하며, 이는 세포에서 많은 수의 유전자 산물을 생성하게 합니다. 짧은 기간 동안 성장과 발달의 요구를 충족시키는 것은 유전자 활동을 조절하는 방법입니다.

3. 유전자 재배열 및 변형

전사를 시작하기 위해 프로모터에서 멀리 떨어진 위치에서 매우 가까운 위치로 유전자를 이동시키는 것을 유전자 재배열이라고 합니다. . . 또는 여러 개의 먼 유전자 단편이 염색체내 DNA 재조합을 통해 함께 연결되어 발현된 활성을 갖는 단백질을 생성합니다.

DNA 메틸화는 발견된 최초의 변형 경로 중 하나입니다. 이 변형 경로는 모든 고등 유기체에 존재할 수 있으며 유전자 발현 조절과 밀접하게 관련되어 있습니다. 다수의 연구에 따르면 DMA 메틸화는 특정 유전자의 활성을 차단할 수 있는 반면, 탈메틸화는 유전자의 재활성화 및 발현을 유도하는 것으로 나타났습니다. DNA 메틸화는 염색질 구조, DNA 형태, DNA 안정성 및 DNA와 단백질 간의 상호 작용을 변화시켜 유전자 발현을 조절할 수 있습니다. 연구에 따르면 CpG 디뉴클레오티드의 시토신 메틸화는 인체에서 염기 전환으로 인해 발생하는 유전 질환의 1/3 이상을 유발하는 것으로 확인되었습니다.

1. DNA 메틸화

DNA 메틸화 변형 현상은 다양한 유기체에 널리 존재합니다. 염색체 수준에서 DNA 메틸화 수준은 유전자 수준에서 동원체 근처에서 가장 높으며 높은 수준의 DNA 메틸화 영역은 대부분의 트랜스포존, 유사유전자 및 작은 RNA 코딩 영역을 포함합니다. 메틸화는 짧은 유전자에 대해서는 전사 조절 능력이 강한 것으로 보이지만, 긴 유전자에 대해서는 조절 능력이 매우 약한 것으로 보입니다. 실험에 따르면 이 과정은 DNA 복제 개시 위치 지정 및 오류 수정과 관련될 뿐만 아니라 유전자 발현을 변경하여 세포 성장, 발달, 염색체 각인, X 염색체 비활성화 등의 조절에도 참여하는 것으로 나타났습니다. DNA 메틸화는 주로 5-메틸시토신(5-mC)과 소량의 N6-메틸아데닌(N6-mA, 여기서 6은 위첨자)과 7-메틸구아닌(7-mG)을 형성합니다. 진핵생물에서 5-메틸시토신은 주로 CpG 서열 CpXpG, CCA/TGG 및 GATC에 나타납니다. 고등 유기체의 CpG 디뉴클레오티드 서열의 C는 일반적으로 메틸화되고 자발적으로 쉽게 탈아미노화되어 티민을 생성하기 때문에 CpG 디뉴클레오티드 서열의 빈도는 뉴클레오티드 구성에 기초하여 계산된 것보다 훨씬 낮습니다. 이러한 CpG 디뉴클레오티드는 일반적으로 DNA에 클러스터로 나타나기 때문에 이 서열을 CpG 섬이라고 부르기도 합니다.

진핵 세포에는 두 가지 메틸전이효소 활성이 있습니다. 하나는 일일 메틸전이효소라고 하며, 다른 하나는 신규 합성 메틸전이효소로, 전자는 주로 모 가닥(주형 가닥)의 지시에 따라 합성됩니다. , 메틸화된 DNA 이중 가닥 분자의 메틸시토신에 해당하는 시토신은 메틸화됩니다. 이 효소는 매우 강한 촉매 특이성을 가지며 헤미메틸화된 DNA에 더 효과적입니다. 높은 친화력으로 인해 초기 헤미메틸화된 DNA가 빠르게 메틸화되어 메틸화 패턴이 보장됩니다. DNA 복제 및 세포 분열 후에도 변하지 않은 상태로 유지됩니다. 후자는 메틸화되지 않은 CpG를 mCpG로 촉매합니다. 이는 모체인 안내가 필요하지 않지만 속도가 매우 느립니다. 이러한 유형의 메틸화효소는 특정 유전자가 메틸화에 의해 조절되도록 하는 주요 요인으로, 유전자 발현의 후생적 변화 연구에 매우 중요한 역할을 합니다.

2. DNA 메틸화가 유전자 전사를 억제하는 메커니즘

DNA 메틸화는 특정 부위의 DNA 구조 변화를 일으켜 단백질과 DNA의 상호작용에 영향을 미치고 전사를 억제한다. 프로모터 DNA에 대한 요인.

연구에 따르면 히스톤 H1이 CCGG 서열을 포함하는 메틸화 또는 비메틸화 DNA와 복합체를 형성할 때 DNA 구성에 큰 차이가 있으며, 메틸화가 특정 수준에 도달하면 DNA에서 Z-DNA로 전통적인 B-전이가 변경됩니다. . Z-DNA 구조가 줄어들고 나선이 깊어짐에 따라 단백질 인자가 결합하는 많은 요소가 주요 홈으로 줄어들어 유전자 전사의 시작에 도움이 되지 않습니다. 사람들은 RNA 중합효소 전사 주형으로서의 활성을 비교하기 위해 동일한 서열이지만 메틸화 수준이 다른 DNA를 재료로 사용했습니다. 메틸 그룹의 도입은 주형이 RNA 중합효소에 결합하는 데 도움이 되지 않아 시험관 내 전사가 감소한다는 사실이 밝혀졌습니다. 활동.

5-메틸시토신은 DNA에 무작위로 분포되지 않습니다. 유전자의 5' 및 3' 말단에는 메틸화 부위가 풍부한 경우가 많으며 프로모터 영역의 DNA 분자에 대한 메틸화 밀도는 메틸화 정도와 관련이 있습니다. 유전자 전사의 억제는 밀접한 관련이 있습니다. 약한 프로모터의 드문 메틸화는 전사 활성을 완전히 비활성화할 수 있습니다. 이러한 유형의 프로모터가 강화되면(인핸서로) 탈메틸화 없이도 전사 활성이 회복될 수 있습니다. 메틸화 밀도가 더 증가하면 강화된 프로모터라도 여전히 전사 활성이 없습니다. 메틸화의 전사 억제 강도는 DNA에 결합하는 MeCP1(메틸 CpG 결합 단백질 1)의 능력과 양의 상관관계가 있기 때문에 메틸화된 CpG의 밀도와 프로모터 강도 간의 균형이 프로모터가 전사적으로 활성인지 여부를 결정합니다.

또한 DNA 메틸화는 이 부위의 돌연변이 빈도를 증가시킵니다.

3. DNA 메틸화 및 X 염색체 비활성화

X 염색체 비활성화는 발달 과정에서 나타나는 독특한 조절 메커니즘입니다. 태생 포유류 암컷의 두 X 염색체 중 하나는 발달 초기에 무작위로 비활성화되어 X 염색체가 하나만 있는 수컷과 동일한 양의 X 염색체 유전자를 보장합니다.

히스톤 아세틸화가 유전자 발현에 미치는 영향:

1. 히스톤의 기본 구성: 히스톤은 뉴클레오솜의 기본 구성 요소이며, 뉴클레오솜(뉴클레오솜)은 히스톤의 기본 구조 단위입니다. 염색질. 뉴클레오솜은 히스톤 팔량체(H2A, H2B, H3, H4를 포함하는 두 개의 사량체로 구성됨)와 두 번 감겨진 DNA로 구성됩니다. 인접한 뉴클레오솜 사이에는 20-200bp의 스페이서가 있습니다. 전자현미경으로 보면 뉴클레오솜의 열은 일련의 구슬처럼 보이며 각 구슬의 직경은 약 10nm입니다. 또 다른 히스톤 H1은 뉴클레오솜 코어 외부에 결합하여 뉴클레오솜 서열과 염색질의 고차 구조를 안정화시키는 역할을 합니다.

2. 코어 히스톤의 아세틸화 및 탈아세틸화

외부를 향한 코어 히스톤의 N 말단 부분을 '꼬리'라고 하는데, 이는 히스톤 아세틸트랜스퍼라제 및 데아세틸트랜스퍼라제 변형에 의해 이용될 수 있다 , 아세틸기를 추가하거나 제거합니다. 아래 그림은 보고된 히스톤의 N 말단 "꼬리"의 주요 변형 부위를 보여줍니다.

3. 히스톤 아세틸트랜스퍼라제

히스톤 아세틸트랜스퍼라제(HAT)는 히스톤의 아세틸화 반응을 촉매합니다. 지금까지 발견된 HAT에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 하나는 전사와 관련되고 다른 하나는 뉴클레오솜 조립 및 염색질 구조와 관련됩니다. HAT는 염색질 결합 단백질은 아니지만 다른 단백질과 상호작용하여 염색질 구조에 영향을 줄 수 있습니다. 많은 전사 활성제는 HAT 활성을 가지고 있습니다. 전사와 관련된 HAT 촉매 하위 단위는 효모 조절 단백질 GCN5의 상동체이며 GCN5 자체는 히스톤 H3 및 H4를 아세틸화하는 활성을 가지고 있습니다.

TAF Ⅱ 250 히스톤 아세틸트랜스퍼라제는 TF Ⅱ D 복합체의 하위 단위로, 주요 기능은 프로모터에 결합하여 전사 개시를 돕는 것이며 히스톤 H3 및 H4를 아세틸화할 수 있습니다. 전사 인자 활성화제인 PCAF는 또한 이 두 히스톤을 아세틸화할 수 있습니다. 히스톤 아세틸트랜스퍼라제 p300/CBP는 또한 전사 인자 활성화제이기도 하며 인핸서 결합 단백질과 상호작용하여 전사를 조절하고 히스톤 H2A, H2B, H3 및 H4를 아세틸화할 수 있습니다. 호르몬 수용체와 협력하는 전사 활성화제인 ACTR은 또한 H3 및 H4에 작용하는 히스톤 아세틸트랜스퍼라제입니다.

4. 히스톤 탈아세틸화

히스톤 탈아세틸화효소(HDAC)는 히스톤의 아세틸 그룹을 제거하는 역할을 합니다. 현재 연구는 인간의 HDAC1과 Rpd3를 대상으로 합니다. HDAC와 Rpd3는 모두 큰 단백질 복합체를 형성하여 기능합니다. Rpd3은 특히 히스톤의 아세틸 그룹을 제거하고, 뉴클레오솜을 서로 더 가깝게 만들고, 전사 인자 억제 인자인 Sin3과 R의 시너지 작용으로 유전자 전사를 억제할 수 있습니다.

5. 히스톤 아세틸화 및 탈아세틸화가 유전자 발현에 미치는 영향

히스톤 아세틸트랜스퍼라제 및 탈아세틸화효소는 유전자 발현에 미치는 영향으로 히스톤 아세틸화 및 탈아세틸화에 영향을 미칩니다. 히스톤의 N 말단 "꼬리"에 있는 라이신 잔기의 아세틸화는 히스톤 꼬리의 양전하를 중화시켜 DNA와의 친화력을 감소시켜 전사 조절 단백질과 염색질 사이의 상호 작용에 도움이 되는 뉴클레오솜 구조를 생성합니다. 증가된 유전자 전사 활성.

히스톤 메틸화에 의한 진핵생물 유전자 발현 조절

유전자 침묵(RNA 침묵이라고도 함)은 진핵생물에서 이중 가닥 RNA에 의해 유도되는 인식과 비정상 RNA를 제거하는 메커니즘을 의미합니다. 세포에서. 일반적으로 유전자 침묵은 전사 유전자 침묵과 전사 후 유전자 침묵으로 나눌 수 있다.

RNA 간섭(RNAi)은 RNA에 의해 유도되는 상동성 mRNA를 효율적이고 특이적으로 분해하는 기술을 말한다. (이중 가닥 RNA, dsRNA). RNAi 기술은 표적 유전자의 발현을 구체적으로 감소시키거나 차단할 수 있기 때문에 유전자 치료 분야에서 유전자 기능과 질병을 탐구하는 데 널리 사용되어 왔습니다.

1. 소형 간섭 RNA(siRNA):

실험에 따르면 내인성 유전자 발현에 대한 이중 가닥 RNA의 간섭 효율이 단일 가닥 RNA의 간섭 효율보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다. RNA 침묵의 역할을 하는 것은 이중나선 RNA여야 합니다. 또한, 이번 연구에서는 도입된 외인성 RNA가 상동 유전자에 대해서만 높은 침묵 효율을 가지고 있다는 사실도 밝혀냈는데, 이는 이들이 쌍을 이루는 기초를 형성해야 할 수도 있음을 시사합니다. 2000년에 RNAi 연구는 dsRNA 매개 RNAi 현상의 많은 중요한 특징을 밝혀내면서 중요한 진전을 이루었습니다. 연구진은 초파리 세포 추출물을 기반으로 한 in vitro RNAi 연구 시스템을 개발했으며, 표적 mRNA가 있는지 여부에 관계없이 도입된 외인성 dsRNA의 센스 및 안티센스 가닥이 21~23nt의 작은 조각으로 절단된다는 사실을 발견했습니다. 표적 mRNA도 길이 차이가 21~23nt인 단편으로 분해되는데, 이는 이러한 분해가 21~23nt의 작은 단편에 의해 매개될 가능성이 높으며, 이러한 분해에는 에너지를 제공하기 위해 ATP가 필요함을 나타냅니다. 이제 이러한 침묵 현상을 매개하는 작은 RNA 조각을 통칭하여 작은 간섭 RNA(siRNA)라고 부릅니다.

2. siRNA의 생합성

환경적, 실험적 요인에 의해 도입된 바이러스성 RNA와 외인성 RNA가 siRNA의 원천이 될 수 있다. 또한, 게놈 반복, 트랜스포손 및 기타 서열도 siRNA를 생성할 수 있습니다. 일반적으로 이중 가닥 소형 RNA는 길이가 21nt이고, 그 중 19nt는 쌍을 이룬 이중 가닥을 형성하며, 3' 말단에 두 개의 짝을 이루지 않은 뉴클레오티드 서열이 있고 5' 말단에 인산염 그룹이 있습니다. 한 가닥은 mRNA의 분해를 매개하는 가이드 가닥이고, 다른 가닥은 siRNA가 기능적 복합체를 형성하기 전에 분해되는 패신저 가닥입니다.

siRNA 생산 과정은 주로 세 가지 핵심 단계로 구성됩니다. 1. 이중 가닥의 작은 조각을 형성하기 위한 다이서 절단

2. 복합체 조립

3. 활성 침묵 복합체(RNA duced silencing complex, RISC)의 형성

(1) 다이서 절단(Dicer cleavage) 다이서는 RNase III 단백질의 일종으로 주로 이중-결합 구조의 한 쌍의 RNase III 도메인을 포함합니다. 좌초된 RNA 결합 도메인, 헬리카제 도메인 및 PAZ 도메인. PAZ 도메인은 이중 가닥 RNA의 2개의 3' 짝이 없는 뉴클레오티드에 결합할 수 있습니다. 두 개의 RNase III 도메인은 분자 내 이합체 구조를 형성하고 각각은 한 가닥의 전단을 촉매하여 이중 가닥 절단을 초래합니다. 구조 생물학 연구에 따르면 PAZ 도메인과 RNase III 촉매 절단 지점은 약 6.5nm 떨어져 있으며 이는 20개 이상의 뉴클레오티드 길이에 해당합니다. 따라서 Dicer 자체를 절단 눈금자로 사용하여 21- nm ~23nt siRNA.

(2) R2D2의 조립? siRNA를 로딩하려면 이중 가닥 RNA 결합 단백질인 R2D2의 도움이 필요합니다. R2D2는 두 개의 이중 가닥 RNA 결합 도메인을 직렬로 포함하고 있습니다. R2D2는 이중 가닥 소형 RNA의 열적으로 더 안정한 말단에 결합할 수 있는 것으로 보고되었습니다.

(3) RISC의 조립과 성숙?

. . .

miRNA

진핵생물 유전자의 다른 발현 조절 수준

단백질 인산화에 의한 유전자 전사 조절