基因沉默(gene silencing)知識點

基因沉默gene silencing)是指生物體中特定基因由于種種原因不表達或者是表達減少的現象?;虺聊F象首先在轉基因植物中發現,接著在線蟲、真菌、水螅、果蠅以及哺乳動物中陸續發現。

 

基因沉默機制

外源基因進入細胞核后,會受到多種因素的作用,根據其作用機制和水平不同可分為三種:位置效應(position effect),轉錄水平的基因沉默(transcriptional gene silencing, TGS)和轉錄后水平的基因沉默(post-transcriptional gene silencing, PTGS).

A.位置效應:指基因在基因組中的位置對其表達的影響。外源基因進入細胞核后首先整合到染色質上,其整合位點與表達有密切的關系。如果整合到甲基化程度高、轉錄活性低的異染色質上,一般不能表達;如果整合到甲基化程度低、轉錄活性高的常染色質上,其表達受兩側DNA序列的影響。植物基因組常是由具有相似GC含量DNA的片段相互嵌合在一起的,外源基因的插入打亂了它們正常的組合。例如,玉米中AI基因的 GC含量為52.5%,而在轉AI基因沉默的矮牽牛中,AI基因兩側DNA序列的GC含量分別為26%和23%,明顯低于52.5%,另外,AI基因是超甲基化的,但其兩側序列的甲基化程度則不高.在許多其他轉基因沉默的植株中也發現了類似現象.這表明生物體可以通過外源基因與其兩側序列GC含量的差別來識別外源基因,激活甲基化酶,使外源序列甲基化而降低其轉錄活性.

B.轉錄水平的基因沉默:DNA水平上基因調控的結果,主要是由啟動子甲基化或導入基因異染色質化所造成的。二者都和轉基因重復序列有密切關系。

重復序列可導致自身甲基化。外源基因如果以多拷貝的形式整合到同一位點上,形成首尾相連的正向重復(direct repeat)或頭對頭、尾對尾的反向重復(inverted repeat),則不能表達.而且拷貝數越多,基因沉默現象越嚴重.這種重復序列誘導的基因沉默(repeat-induced gene silencing, RIGS)與在真菌中發現的重復序列誘導的點突變(repeat-induced point mutation, RIP)相類似,均可能是重復序列間自發配對,甲基化酶特異性地識別這種配對結構而使其甲基化,從而抑制其表達.此外,重復序列間的相互配對還可以導致自身的異染色質化.其機理可能是異染色質化相關蛋白質識別重復序列間配對形成的拓撲結構,與之結合,并將重復序列牽引到異染色質區,或直接使重復序列局部異染色質化.

C.轉錄后水平的基因沉默是RNA水平基因調控的結果,比轉錄水平的基因沉默更普遍.特別是共抑制(cosuppression)現象尤是研究的熱點.共抑制是指在外源基因沉默的同時,與其同源的內源DNA的表達也受到抑制.轉錄后水平的基因沉默的特點是外源基因能夠轉錄成mRNA,但正常的mRNA不能積累,也就是說mRNA一經合成就被降解或被相應的反義RNA或蛋白質封閉,從而失去功能.這可能是由于同源或重復的基因表達了過量mRNA的結果.Dawson提出,細胞內可能存在一種RNA監視機制用以排除過量的RNA. 當mRNA超過一定的域值后,就引發了這一機制.特異性的降解與外源基因同源的所有RNA. 此外,過量的RNA也可能和同源的DNA相互作用導致重新甲基化(de novo methylation),使基因失活。

 

上述三種機制并不是獨立的,而是相互關聯的。基因沉默機制在核酸水平上均是DNA-DNA, DNA-RNA,RNA-RNA相互作用的結果,所以人們認為對基因沉默機制的研究開啟了認識DNA水平及RNA水平上調節基因表達的新紀元,并提出了基因免疫,即基因組對外源基因入侵有抵抗能力的新觀念.

 

基因沉默是基因表達調控的一種重要方式,是生物體在基因調控水平上的一種自我保護機制,在外源DNA侵入、病毒侵染和DNA轉座、重排中有普遍性。對基因沉默進行深入研究,可幫助人們進一步揭示生物體基因遺傳表達調控的本質,在基因克服基因沉默現象,從而使外源基因能更好的按照人們的需要進行有效表達;利用基因沉默在基因治療中有效抑制有害基因的表達,達到治療疾病的目的,所以研究基因沉默具有極其重要的理論和實踐意義.

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