基本介紹
- 中文名：染色質環
- 外文名：chromatin loop
- 別名：染色質環狀結構
- 分布位置：TAD邊界處
簡介,進化保守性,空間結構,製備,作用,染色質環控制DNA複製和基因轉錄,染色質環與基因組重組,發育和癌症中染色質環變化,
簡介
染色質環中有很大部分為promoter-enhancer loops， 解釋了增強子對靶基因的調控機制，雖然增強子與靶基因線性距離很遠，但是增強子與靶基因啟動子位於一個染色質環上，空間距離近，通過與啟動子結合調控靶基因。
進化保守性
在不同細胞系間相對穩定，在物種間也具有一定進化保守性。
空間結構
對於染色質環的空間結構，提出了如下模型
染色質環空間結構模型
製備
通過處理中期的染色體或分離得到的細胞核,除去組蛋白後可以觀察到染色質環狀結構。
作用
染色質環控制DNA複製和基因轉錄
染色質環並不只是染色質高級結構的一種形式，它與DNA複製、基因轉錄都密切相關，起著特殊的調控作用。
在真核生物細胞核內，DNA發生多級摺疊包裝，形成染色質環狀結構。染色質環通過特殊的位點附著在核骨架上，這些特殊的DNA區域被稱為核骨架結合元件（scaffold associated region，SAR）。SAR可以在體外與分離的核骨架蛋白特異結合。
真核生物複製子大小通常在50kb到300kb之間，與染色質環大小相近。研究發現，在雞α球蛋白基因、鼠免疫球蛋白重鏈區、核纖層蛋白B2基因等的複製起點處都有SAR存在。經典脈衝標記實驗顯示，DNA複製的起始位置在環的基部，新複製的DNA從環基部向外移動。這表明複製子與染色質環密切相關。
在轉錄調控中，起作用的不僅僅是那些有特殊作用位點的轉錄因子，還有大範圍內染色質的結構形式，它決定著轉錄因子是否能與目標位點結合。染色質水平的基因調控主要與環結構的形成與調節有關。研究發現SAR不僅出現在複製起始位點附近，也出現在增強子附近。雞α球蛋白基因、人β球蛋白基因等的增強子附近都發現有SAR存在。實驗證明，兩端接有SAR的外源基因可以整合到宿主細胞基因組上，形成獨立的環狀結構，從而相對減少整合位點前後染色質結構對外源基因的影響，SAR通過這種方式可以增強外源基因的表達。在體內SAR就像一個拓撲控制開關，既可以像屏障一樣把基因組上各個獨立的結構域分隔開來，又能改變它們的拓撲結構形式以滿足啟動子或增強子的作用要求。
染色質環與基因組重組
SAR可能參與到癌症發生過程中，改變基因組的包裝模式，或者引起基因組自身的變化，發生染色體缺失、重排等。腫瘤細胞中DNA與核骨架蛋白間的相互作用不同於正常細胞中的情況。
染色體重排通常發生在基因組上一些“熱點”區域，這些位點之間的間隔區則很少參與重組。間隔區大小一般為20kb到100kb，這與染色質環的平均大小相近。研究發現SAR常出現在重組位點，這些區域都含有拓撲異構酶II作用位點。細胞凋亡初期染色質環會發生切除，研究發現DNA被切斷的地方與重組時的斷裂位點在同一區域。在另一個重組例子裡，逆轉錄病毒整合到宿主細胞基因組上，重組發生的區域也都含有SAR。
拓撲異構酶II結合併作用於DNA環狀結構的基部，是間期細胞核骨架的重要成分。一些對該酶專一的藥物能加強它與DNA之間的相互作用。用這些藥物處理哺乳動物細胞會刺激基因組的重排，出現缺失、插入、易位等突變情況。在採用拓撲異構酶II專一性藥物進行化療時往往會引發二級白血病，這主要是染色體重排造成。同樣這些重排並不是在基因組上隨機發生，而是集中於一些特定區域，有關MLL（myeloid-lymphiod-leukaemia）基因的許多易位突變都發生在一段8.3kb的DNA區域內，該區域包含有拓撲異構酶II的作用位點。在SV40上一些區域也有拓撲異構酶II的作用位點，那些專一性藥物也能促發這些區域內的重排。這表明非正常的DNA重排主要發生於染色質環基部，由此而導致環的缺失或重構。雖然在基因組上SAR之間相隔較遠，但由於摺疊成環錨定於核骨架上，它們的空間距離很近，使得這些區域容易發生重排。雙鏈DNA的斷裂會引發一系列變化，導致缺失、易位。而環基部容易受到核酶作用，因而容易發生DNA斷裂。這也是這些區域成為重組熱點的一個原因。
發育和癌症中染色質環變化
受精後，精、卵細胞核融合，染色質結構發生重大變化。很多物種的發育過程中，染色質環的大小都有變化，從早期胚胎細胞中的50kb到成熟體細胞中的200kb。與此同時，中期染色體結構也出現顯著變化。
通過對非洲爪蟾發育過程的研究可以了解發育不同階段基因表達的變化，及其與基因組結構改變之間的聯繫。非洲爪蟾發育過程中，從囊胚期到幼蟲期，中期染色體逐漸變短變粗，同時染色質環的長度則明顯增大。這種染色質高級結構的改變說明核內起作用的SAR在逐漸減少。與此相關的是，複製子也逐漸變大，而複製起始位點減少。
非洲爪蟾發育的最初12個細胞周期中，DNA進行複製，細胞核發生分裂，但不發生轉錄，直至中期囊胚轉移期（MBT），轉錄被激活，胚胎自身的基因才開始發揮作用。在MBT之前，染色質環狀結構與核骨架間沒有特異的附著點，到MBT時出現兩個明顯的基因區域，分別包含rDNA和c-myc基因，通過特異的位點附著在核骨架上。在發育過程中，rDNA結構域上核骨架結合位點從MBT前似乎隨機分布的狀態變為MBT後特異的存在於基因間隔區。與此相關聯，在MBT之後的另兩個變化是染色質環擴大和複製起點特異的出現於基因間隔區。MBT後rDNA結構域與核骨架錨定，使得它在複製和轉錄過程中有相對獨立的結構。研究發現，在MBT後，rDNA結構域複製和轉錄的終止位點都在基因間隔區。這些變化中涉及到的SAR也許與發育過程中轉錄的穩定進行相關，也可能與胚胎期細胞穩定分化相關。
體內染色質環狀結構的形成很可能與細胞類型有關。研究發現在果蠅X染色體上一段區域裡SAR大多出現在染色質環的基部，然而也有一些存在於環上，這些SAR也具有錨定核骨架的能力。可能在不同的發育階段或不同的組織里，有不同的SAR發揮作用。SAR活性的變化引起染色質環結構的改變，由此影響到DNA複製和基因轉錄，從而滿足細胞的不同需要。在發育早期，有活性的SAR較多，形成小而多的染色質環，適應DNA的較快複製和多種基因的表達。分化後的細胞中，一部分SAR不再發揮作用，形成較大的染色質環，引起部分基因的沉默。而在一些人類腫瘤細胞株中，染色質環也比正常細胞中的小，只有大約50kb。腫瘤細胞中染色質環的變化可能是正常細胞分化階段逆轉的反映，也可能與腫瘤細胞快速增殖有關。因為DNA複製子的大小與染色質環的大小相關，小而多的複製子可以更快地進行複製，從而滿足細胞增殖的需要。
胚胎髮育過程中，染色質環會發生很大變化。形成這樣的環狀結構可能是抑制發育過程逆轉的一種保障機制。在早期蛙克隆實驗中，將已分化細胞的細胞核轉人卵母細胞中，結果胚胎髮育停滯在早期階段。胚胎細胞核經過幾次轉人後，發育過程才能順利進行下去，這表明核結構要經過很大變化才能恢復其全能性。
