Science重要成果：轉錄的調(diào)控
日期：2012-09-05 08:17:30
來自霍華德休斯醫(yī)學研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)在人體中并不只有少數(shù)的關鍵基因和蛋白以24小時晝夜節(jié)律模式隨日升日落循環(huán)開啟和關閉。在整個機體的器官中有成千上萬的基因顯示出可預測的日常波動，它們的活動周期以一種復雜多樣的方式受到調(diào)控。
新研究的核心在于發(fā)現(xiàn)了轉錄基因的關鍵酶——RNA聚合酶的功能隨著晝夜節(jié)律周期而改變。相關論文在線發(fā)布在8月30日的《科學》（Science）雜志上。
德克薩斯大學西南醫(yī)學中心HHMI研究人員Joseph S. Takahashi說了解基因如何在一整天中循環(huán)開啟和關閉是理解包括人類睡眠和代謝在內(nèi)的許多生物學功能的關鍵。“如果你對這些晝夜節(jié)律基因的靶標進行觀察，頂端的類別就是代謝信號通路。時鐘與每日的代謝調(diào)控密切相關。”
Takahashi說：“這一發(fā)現(xiàn)為我們提供了轉錄時間動態(tài)的新圖片。它向我們提供了一條有趣的新途徑總體上觀察晝夜節(jié)律周期以及聚合酶和轉錄物。”
自上世紀90年代發(fā)現(xiàn)生物鐘基因Clock以來Takahashi和他的研究小組一直從事Clock基因和蛋白質產(chǎn)物的研究。他和其他的研究人員已經(jīng)確立了CLOCK和另外兩種蛋白BMAL1和NPAS2可在白天結合到基因上并激活它們，而另外4個生物鐘調(diào)控因子PER1、PER2、CRY1和CRY2蛋白則在晚上抑制基因。
Takahashi和同事們想全面了解這些激活子和抑制子是如何協(xié)同作用來維持身體24小時節(jié)律的。于是他們在小鼠肝細胞中深入地研究了這些調(diào)控蛋白結合到了基因組的何處靶向了基因。當他們開展研究時，研究小組驚訝地發(fā)現(xiàn)有一個或多個蛋白質結合到了超過2萬個位點上。所有7種蛋白都能夠結合到其中超過1000個位點上，但許多的位點都只是生物鐘激活子或是抑制子的靶點，并非兩者共同的靶點。這同樣讓人感到吃驚，Takahashi說：“我們本來天真地認為它們只是全部都結合到了相同的位點。”
為了確定生物鐘蛋白如何結合影響了基因活性，科學家們繼續(xù)測試了在肝臟中活性狀態(tài)的所有基因每日的表達模式。
為了開始生成活性基因的蛋白質，細胞首先要將基因中的信息轉錄為RNA，因此對應特異基因的RNA數(shù)量可用于測量基因活性。在RNA分子用于生成蛋白質前，RNA分子必須經(jīng)過一些加工處理，這可能會影響將生成的蛋白質數(shù)量。作為這一RNA加工的部分，細胞必須切除密碼中稱之為內(nèi)含子的間斷部分。剩余稱作外顯子的片段包含了由基因確定用于構建蛋白質的必要信息。
為了了解更多有關生物鐘基因的調(diào)控機制，Takahashi研究小組在他們的細胞中分別測量了外顯子RNA和內(nèi)含子RNA的存在。
如果基因表達周期完全在轉錄水平上受到調(diào)控，外顯子和內(nèi)含子RNA始終會在相同的時間增加或減少。但研究人員發(fā)現(xiàn)了一些不同的東西。超過2000個基因在外顯子水平上顯示出日循環(huán)表達，少于1400個基因在內(nèi)含子水平上顯示出晝夜節(jié)律模式。此外，內(nèi)含子RNA轉錄物都在相同的時間循環(huán)達到高峰，而外顯子RNA轉錄物的高峰則散步于一天中不同的時間。
Takahashi 說：“當我們比較內(nèi)含子和外顯子循環(huán)基因組時，我們發(fā)現(xiàn)幾乎沒有重疊。只有22%的外顯子循環(huán)基因在轉錄水平上受到調(diào)控。”另外78%的外顯子循環(huán)基因因為內(nèi)含子和外顯子RNA轉錄物不相配，增高和降低必須是發(fā)生在調(diào)控較遲水平上，而非從DNA到RNA的初始轉錄。
為了深入探討在轉錄水平上具有周期性變化的基因調(diào)控發(fā)生的機制，并找出它們均在同一時間達到高峰的原因，Takahashi和同事們測試了轉錄中的第一步——RNA聚合酶II結合到基因上的計時。他發(fā)現(xiàn)結合在一天中結合發(fā)生遠早于基因轉錄。轉錄的激活子CLOCK 和BMAL1招募RNA聚合酶II到循環(huán)起始，但受到抑制子CRY1存在的抑制。因此，在開始轉錄前RNA聚合酶準備或是停頓了幾個小時。這些晝夜節(jié)律依賴性步驟包括了RNA聚合酶招募和從準備狀態(tài)釋放。
“我們最終發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶II啟動是在全基因組水平上具有晝夜節(jié)律的。與RNA聚合酶II和轉錄的全面調(diào)控一起，我們還發(fā)現(xiàn)了通過晝夜節(jié)律時鐘染色質狀態(tài)的全部調(diào)控。對維持DNA完整性至關重要的組蛋白也跨越基因組在晝夜節(jié)律基礎上被廣泛修飾。”這表明幾乎每個基因都有可能隨晝夜節(jié)律周期受到調(diào)控。他補充說下一步就是要找出RNA聚合酶如何在每日基礎上受到調(diào)控，什么使得聚合酶在一天的某些時間暫停某些基因。并且當然關于其他RNA分子如何在轉錄后受到調(diào)控還仍然待解。
