NAR：揭秘表观遗传学开关控制基因表达的分子机制！

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

2021年1月4日讯 /生物谷BIOON/ --近日，一项刊登在国际杂志Nucleic Acids Research上的研究报告中，来自东京工业大学等机构的科学家们通过研究开发了一种新型数学模型，利用该模型或能帮助定量评估特定表观遗传学改变对基因转录率的影响；研究者表示，基于这种方法，我们就能成功在体外制造重组的含有染色质的组蛋白修饰。文章中，研究人员提出了一种准确的定量方法来理解组蛋白位点特异性的改变如何影响染色质的可接近性和基因表达的水平。

图片来源：Nucleic Acids Research

单一蛋白质的产生是一个漫长而又复杂的过程。即使从DNA模板生产其蓝图（所谓的编码转录本）也会涉及多个步骤和参与者；DNA通常会被发现整齐地包裹在称之为组蛋白的蛋白质上形成一个核小体，这是一种称之为染色质的紧密浓缩结构的基本亚单位，其浓缩程度取决于有多少DNA可用于转录过程。这些组蛋白的改变（比如乙酰化修饰）会影响染色质对基因表达的可及性，这些表观遗传学在调节基因表达的过程中扮演着关键角色。截止到目前为止，研究人员并不清楚如何量化这些表观遗传学效应，以及位点特异性的组蛋白修饰如何影响基因的表达。

为了回答这一系列问题，这项研究中，研究人员开发了一种动力学模型，基于高度定量的实验结果来量化表观遗传改变对转录率的贡献。研究者Takinoue解释道，每个组蛋白的每个修饰状态对染色质转录的顺序步骤的贡献并没有被量化，因为我们很难用感兴趣的表观遗传学修饰来精确重建染色质的模板，并对从中得到的RNA转录进行量化分析。利用遗传密码扩展和细胞游离蛋白合成技术，我们合成了含有位点特异性乙酰化修饰的组蛋白H4，并重组了一个四乙酰化核小体。

组蛋白修饰会针对转录过程中染色质水平的不同阶段，这可能会反过来影响基因的转录率，第一个阶段，即染色质的可及性，包括打开紧密压缩的结构，使其可能被转录机器访问；第二阶段就是转录能力染色质的形成，其能为转录合成复合体的结合做好准备工作；第三阶段就是转录前的引物准备，其能帮助开始转录所需的附属蛋白质进行组装；转录的最后阶段涉及核苷酸的顺序添加从形成转录本。

为了研究位点特异性的组蛋白修饰过程（包括乙酰化）影响转录各个阶段的分子机制，研究人员开发了一种重组的核小体，其携带了来自非洲爪蟾蜍的RNA编码序列的两个副本，并在组蛋白的特定位点上进行乙酰化修饰，该系统能模拟出活细胞内染色质的动态改变，从而影响转录过程。这项研究中，研究人员开发出了一种准确且高度灵敏的基于荧光的检测系统，其能实时测定转录物的微小浓度，在应用研究者所开发的动力学模型时，他们发现，相比缺乏乙酰化修饰的染色质相比，四个特定组蛋白位点的乙酰化修饰会将染色质的可及性增加三倍。

最后研究者Takinoue表示，该模型的多功能性还能使其用于量化其它表观遗传学修饰，同时研究者还强调了其研究的潜在应用，这种数学描述的动力学模型能够帮助研究者确定非乙酰化和乙酰化的染色质模板的染色质转录率；而研究人员所开发的方法将会适用于各种染色质介导的反应，从而定量了解表观遗传修饰的重要性。（生物谷Bioon.com）

原始出处：

Masatoshi Wakamori,Kohki Okabe,Kiyoe Ura, et al. Quantification of the effect of site-specific histone acetylation on chromatin transcription rate, Nucleic Acids Research (2020). DOI: 10.1093/nar/gkaa1050