人類基因組核小體定位與基因表達(dá)動態(tài)調(diào)控機(jī)制的研究.pdf

1、核小體作為真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組成單元，通過暴露和遮蔽DNA上的蛋白結(jié)合位點(diǎn)，影響蛋白質(zhì)因子與DNA的結(jié)合，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，是真核生物表觀調(diào)控的一個重要環(huán)節(jié)。核小體位置受外界環(huán)境、細(xì)胞狀態(tài)、細(xì)胞類型等影響，發(fā)生特異性變化，研究核小體位置對了解基因表達(dá)動態(tài)調(diào)控機(jī)制具有重要的生物學(xué)意義。研究表明pre-mRNA的處理與轉(zhuǎn)錄耦合，核小體定位影響pre-mRNA的處理結(jié)果。目前，國際上對基因轉(zhuǎn)錄啟動的核小體研究比較多，而對基因轉(zhuǎn)錄后pre

2、-mRNA處理方面的研究相對較少。本課題利用生物信息學(xué)和統(tǒng)計分析方法系統(tǒng)分析核小體定位數(shù)據(jù)，并結(jié)合基因表達(dá)數(shù)據(jù)以及聚合酶Ⅱ數(shù)據(jù)，深入研究核小體對基因轉(zhuǎn)錄后pre-mRNA處理的動態(tài)調(diào)控機(jī)制，重點(diǎn)研究核小體定位對可變剪接和可變聚腺苷酸化的動態(tài)調(diào)控作用。
　　為了研究核小體占據(jù)對可變剪接的影響，我們系統(tǒng)地研究了人類基因組不同類型可變位點(diǎn)周圍的核小體占據(jù)模式，發(fā)現(xiàn)不同核小體占據(jù)模式及其對剪接位點(diǎn)識別的作用。在剪接位點(diǎn)周圍，組成性外顯子或

3、可變外顯子的組成部分，相對于跳躍外顯子或可變外顯子的可變部分，具有更高的核小體定位水平。這種占據(jù)模式與基因表達(dá)狀態(tài)和細(xì)胞狀態(tài)無關(guān)，依賴于DNA序列，并與剪接位點(diǎn)序列的保守性成正比。組成性轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)具有更強(qiáng)的+1核小體占據(jù)和較強(qiáng)的核小體缺失區(qū)域。另外，可變3'剪接位點(diǎn)周圍的核小體分布模式與可變5'剪接位點(diǎn)不同，表明核小體對3'和5'剪接位點(diǎn)的識別具有不同的作用。研究結(jié)果表明核小體可以作為轉(zhuǎn)錄延伸的“減速器”，促進(jìn)剪接因子的招募和剪接位點(diǎn)

4、的識別，影響可變剪接的模式。
　　Pre-mRNA3'端的形成是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié)，影響基因轉(zhuǎn)錄的終止、mRNA的穩(wěn)定性等。通過對不同類型基因末端周圍的核小體分析，發(fā)現(xiàn)蛋白編碼基因和非編碼基因的轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)周圍的核小體占據(jù)模式具有很大差異。特殊的核小體定位模式為蛋白編碼基因提供一個特殊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，以提高轉(zhuǎn)錄終止效率。進(jìn)一步研究蛋白編碼基因聚腺苷酸化位點(diǎn)（polyA位點(diǎn)）周圍的核小體定位，發(fā)現(xiàn)polyA位點(diǎn)周圍的核小體

5、占據(jù)模式與polyA位點(diǎn)在基因中的相對位置無關(guān)，DNA序列本身起重要的作用。保守聚腺苷酸化信號在體內(nèi)polyA位點(diǎn)周圍核小體缺失中起重要的作用，而下游序列元件和剪切位點(diǎn)核苷酸的偏向性是一個輔助的決定因素，表明核小體對蛋白編碼基因聚腺苷酸化具有重要的調(diào)節(jié)作用。為了進(jìn)一步研究核小體定位對蛋白編碼基因3'端聚腺苷酸化的動態(tài)調(diào)控機(jī)制，分析不同類型polyA位點(diǎn)周圍的核小體占據(jù)，發(fā)現(xiàn)它們具有不同的占據(jù)模式。結(jié)合mRNA-seq和聚合酶Ⅱ數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)

6、可變polyA位點(diǎn)的選擇與核小體定位模式以及動態(tài)變化有關(guān)。PolyA位點(diǎn)周圍的核小體隊列在可變聚腺苷酸化區(qū)域形成RNA聚合酶Ⅱ雙暫停模型，確保末端polyA位點(diǎn)的識別和正常的轉(zhuǎn)錄終止。在可變polyA位點(diǎn)中，最靠近轉(zhuǎn)錄起始的近端位點(diǎn)，其上游核小體是可調(diào)節(jié)的，與位點(diǎn)的選擇密切相關(guān)，協(xié)助聚合酶Ⅱ降低轉(zhuǎn)錄速度，準(zhǔn)備處理3'端事件?？勺兾稽c(diǎn)中最靠近基因末端的位點(diǎn)和組成性位點(diǎn)，其下游核小體是固有的很好定位的，受基因轉(zhuǎn)錄的影響動態(tài)變化，是聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)

7、錄延伸的第二個障礙，確保轉(zhuǎn)錄終止和最后一個polyA位點(diǎn)的識別。
　　核小體是由組蛋白八聚體和纏繞其上的DNA序列構(gòu)成，組蛋白N端的修飾也是影響基因轉(zhuǎn)錄的重要因素。結(jié)合RNA-seq數(shù)據(jù)以及核小體數(shù)據(jù)，研究10種組蛋白修飾和1種組蛋白變體對可變外顯子選擇的調(diào)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在跳過式外顯子區(qū)顯著富集了大量激活性質(zhì)的組蛋白修飾，其水平與可變外顯子的排除有關(guān)。跳過式外顯子上游第一個外顯子的5'剪接位點(diǎn)周圍同樣富集著大量激活性質(zhì)的組蛋白修飾，

8、而且在被排除的可變外顯子中，它們的富集程度更高。結(jié)合聚合酶Ⅱ數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)被排除外顯子的上游外顯子5'剪接位點(diǎn)周圍的聚合酶Ⅱ富集水平較高，而在跳過式外顯子區(qū)，聚合酶Ⅱ的占據(jù)水平顯著降低，表明聚合酶Ⅱ的速度發(fā)生了很大的變化。結(jié)果表明激活性質(zhì)的組蛋白修飾富集在可變外顯子周圍，能夠改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，影響聚合酶Ⅱ的轉(zhuǎn)錄速度，從而調(diào)節(jié)可變剪接。
　　論文系統(tǒng)研究了核小體定位和組蛋白修飾對pre-mRNA處理的動態(tài)調(diào)控機(jī)制，在pre-mRNA處理的