Điều hòa biểu hiện gen và trạng thái nhiễm sắc thể

Mỗi tế bào mang cùng một bộ gen, nhưng chỉ biểu hiện một phần trong số đó. Sự điều hòa biểu hiện gen — kiểm soát việc mỗi gen được phiên mã có hay không, khi nào và với mức độ bao nhiêu — là yếu tố tạo nên sự khác biệt giữa các tế bào. Một lớp kiểm soát trung tâm của quá trình này là trạng thái nhiễm sắc thể: mức độ DNA được đóng gói chặt chẽ với histon quyết định liệu một gen có thể tiếp cận được với bộ máy phiên mã hay không.

Definition

Điều hòa biểu hiện gen là tập hợp các quá trình kiểm soát việc sản xuất RNA và protein của một gen; trạng thái nhiễm sắc thể là trạng thái đóng gói và biến đổi của DNA và histon làm cho một gen dễ tiếp cận hơn hoặc ít tiếp cận hơn, từ đó kiểm soát quá trình phiên mã của nó.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự điều hòa biểu hiện gen, tập trung vào trạng thái nhiễm sắc thể — sự đóng gói nucleosome, các biến đổi histon và khả năng tiếp cận — cùng với các yếu tố phiên mã tác động lên nó. Đây là tài liệu tham khảo và giáo dục, mô tả sự rối loạn điều hòa trong bệnh tật chỉ ở các thuật ngữ chung, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Điều gì quyết định liệu một gen có được phiên mã trong một tế bào nhất định hay không?
• Sự đóng gói nhiễm sắc thể mở hoặc đóng gen để biểu hiện như thế nào?
• Các biến đổi histon và khả năng tiếp cận DNA đóng vai trò gì?
• Biểu hiện gen được đo lường trên toàn bộ hệ gen như thế nào?

Key concepts

• Điều hòa phiên mã
• Nhiễm sắc thể và nucleosome
• Các biến đổi histon
• Nhiễm sắc thể mở so với đóng (khả năng tiếp cận)
• Nguyên nhiễm sắc thể và dị nhiễm sắc thể
• Các yếu tố phiên mã và đồng hoạt hóa
• Trạng thái biểu sinh
• Đo lường hệ phiên mã (RNA-Seq)

Mechanisms

DNA được quấn quanh histon tạo thành nucleosome, và nhiễm sắc thể tạo thành có thể ở dạng cô đặc và ức chế (dị nhiễm sắc thể) hoặc dạng mở và cho phép (nguyên nhiễm sắc thể). Các phức hợp điều chỉnh nhiễm sắc thể thêm hoặc loại bỏ các dấu hiệu histon và định vị lại nucleosome, thay đổi khả năng tiếp cận để các yếu tố phiên mã và RNA polymerase có thể hoặc không thể tương tác với các yếu tố điều hòa của gen. Sự kết hợp giữa trạng thái nhiễm sắc thể dễ tiếp cận và các yếu tố liên kết phù hợp cho phép phiên mã; cùng nhau, các lớp này xác định kiểu biểu hiện gen đặc trưng cho từng loại tế bào, có thể được đọc trên toàn bộ hệ gen bằng cách giải trình tự hệ phiên mã.

Clinical relevance

Bởi vì trạng thái nhiễm sắc thể và kiểm soát phiên mã thiết lập gen nào hoạt động, sự gián đoạn của chúng — thông qua các yếu tố điều hòa nhiễm sắc thể hoặc tín hiệu bị thay đổi — có thể làm thay đổi các chương trình biểu hiện trong bệnh tật, và việc lập hồ sơ biểu hiện được sử dụng rộng rãi để đặc trưng hóa các mô và khối u. Chủ đề này cung cấp nền tảng khái niệm đó để tham khảo và giáo dục và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Evidence & guidelines

Cơ sở nhiễm sắc thể của kiểm soát phiên mã được thiết lập trong sinh học phân tử cơ chế, trong khi các bản đồ toàn bộ hệ gen về nhiễm sắc thể dễ tiếp cận và các dấu hiệu histon từ các dự án như ENCODE cung cấp chú thích tham chiếu về trạng thái điều hòa; RNA-Seq cung cấp phương pháp tiêu chuẩn để định lượng biểu hiện mà các trạng thái đó tạo ra.

History

Sự nhận thức rằng nhiễm sắc thể không phải là vật liệu đóng gói trơ mà là một yếu tố điều hòa tích cực của phiên mã đã phát triển thông qua các công trình nghiên cứu về cấu trúc nucleosome và biến đổi histon trong suốt cuối thế kỷ XX. Việc lập bản đồ quy mô hệ gen về các đặc điểm nhiễm sắc thể và phiên mã, được hỗ trợ bởi các công nghệ giải trình tự vào những năm 2000, sau đó đã biến điều hòa gen thành một lĩnh vực dựa trên dữ liệu, toàn bộ hệ gen.

Key figures

• Jerry Workman
• Michael Snyder
• Mark Gerstein

Seminal works

• li-2007
• encode-2012
• wang-2009

Frequently asked questions

Nếu tất cả các tế bào đều có cùng gen, tại sao chúng lại khác nhau?

Bởi vì chúng điều hòa biểu hiện gen khác nhau: trạng thái nhiễm sắc thể và các yếu tố phiên mã bật hoặc tắt các bộ gen riêng biệt trong mỗi loại tế bào, tạo ra sự khác biệt giữa, ví dụ, một tế bào thần kinh và một tế bào gan.

Trạng thái nhiễm sắc thể có ý nghĩa gì đối với một gen?

Nó mô tả cách DNA của gen được đóng gói và đánh dấu. Nhiễm sắc thể mở, cho phép bộ máy phiên mã tiếp cận gen, trong khi nhiễm sắc thể cô đặc, ức chế giữ cho nó im lặng.