据www.physorg.com网站2007年3月28日报道，美国宾夕法尼亚州州立大学科学家计划于2007年3月29日在《自然》杂志上发表首幅完整高分辨率基因控制通路结构图。这些图将展示基因在整个基因组中是如何被包装和控制的。生物化学和分子生物学教授兼此项研究的首席研究员B·福兰克林·普格称：“我们将第一次在基因组基础上看见具有非常高分辨率的核小体如何控制生物基因的表达。”
这幅图能精确地对一些特定的关键基因控制核小体进行定位－缠绕蛋白质核周围的DNA短区的线管状结构。该项研究暗示这些在整个细胞DNA中担当重要的转录催化剂角色的核小体是如何起控制作用的，无论一个基因的函数是否能在一个特定的细胞内被解开。该项研究的许多令人惊奇的发现共同揭示了核小体结构体系和它们所控制的优质DNA序列间存在一种密切联系。普格称：“我们目前能够确切地知道这些核小体位于DNA分子的什么位置，以及在它们的严格控制下，哪个DNA区被它们缠绕着。”在这些DNA区当中，普格和他的同事找到了一条关键通道结构，这一结构由核小体控制，只有这一通路开启，基因才能进行转录。
此项研究显示几乎所有的基因具有这种相同的结构，基因转录就是从这种结构开始的。它包含一条关键的转录通道，而每个基因的转录通道几乎总是位于核小体的相同位置。这些研究人员还发现一些基因图样有点不同于标准图样，他们也会在《自然》杂志发表的文章中提到这些与众不同的序列。普格称：“我们以前看到的是低分辨率图，这些结构可能看上去只基本处于同一位置。但是现在通过高分辨率图，我们能清晰地看到它们真的位于同一位置。这是一种非常一致的排列形式。”
该研究还显示这些位于转录启动控制中心的核小体占据着几处DNA分子上的重叠位置，即典型的10碱基对分离，这与DNA双螺旋的周期性旋转精确吻合。普格称：“DNA的结构在环绕核小体蛋白质核的同时还能与这些位置达成完美吻合，这真是令人惊讶。”这一结果大大地简化了此前有关基因包装可能结构的理论。普格称：“每一个基因里存在一种特定的DNA序列，它们通过相同的方式形成和制造基因结构。”每个基因中的DNA区的整个序列是不同的，但基础结构则是一样的。
为了获得高分辨率图，这些研究人员首先从面包酵母和酿酒酵母的6,000个DNA控制基因转录区中隔离出322,000个核小体。面包酵母和酿酒酵母通常被作为研究人类细胞如何工作的模型。在酵母菌DNA中，唯有这种启动子核小体才在其核内包含有一种被称之为H2A.Z的组蛋白质。由普格和生物化学及分子生物学副教授史迪芬·斯考斯特尔领头，宾夕法尼亚州州立大学研究小组利用只绑在这种H2A.Z蛋白质上的抗体作为将所有这种启动子核小体与酵母DNA的其他部分分隔开来的工具。然后，这个研究小组使用一种最新的DNA序列机器辨别或“解读”每个H2A.Z核小体的DNA周围的碱基对区序列。科学家再通过使用相同的酵母基因序列来与每一个基因的序列进行匹配，从而精确地定位H2A.Z核小体的最初位置。斯考斯特尔解释称：“为这些核小体获取DNA正确序列允许我们精确绘制它们在整个基因中的位置。”这种图首次精确显示了哪个DNA序列是控制中心的在酵母基因组中每个基因的H2A.Z核小体的组成部分。研究人员同样还首次拥有了一幅清晰的H2A.Z核小体如何帮助控制基因开启或关闭的图像。
该研究的另一项发现是转录控制中心趋向于定位在核小体的外缘和趋向于向外面对DNA螺旋，从而使得细胞的转录蛋白质能够很轻易地找到它们。普格称：“这将有助于推开核小体，使基因解读能够顺利进行。”他进一步补充称：“此前的研究指出位于基因上流的DNA序列可能是控制基因是否进行解读或不解读的区域。我们对那些序列的构造尚一无所知。现在，我们知道转录通道是这一控制区的重要组成部分，核小体可以通过锁定该通道使得基因不能被启用，直到它需要启用这一基因。”当需要这种基因时，细胞的分子机器解开DNA对核小体的缠绕，打开转录通道让这种基因进入细胞的分子转录机器。普格称：“我们认为核小体的作用就在于控制转录通道。”
此项研究揭示了在转录启动子位点上管制基因的DNA是如何被包装于核小体上。有关这些存在于核小体线管外缘位点的知识将帮助科学将研究的注意力集中于设计控制基因的表达。普格解释称：“我们的研究已经提供了一幅更加清晰的有关控制区域DNA结构的图像，这可以使我们更好地理解基因是如何进行控制的。这是非常重要的，因为基因控制是生物得以生存的关键过程。”
由普格的研究小组撰写的文章目前位于有关基因控制预先发现新趋势的最前沿。它可能导致大容量或整体平行及DNA序列的实验室设备获得新发展。普格称：“传统的DNA序列方法一次只能处理一条DNA链，但现在，我们可以同时处理成百上千条DNA链，并迅速得到不可思议的新信息量。”
有关大多数基因基本上通过同一种方式进行包装的知识蕴含着强大的未来研究和应用潜力信息。普格称：“我认为含义之一就是：在如何包装基因的核小体控制表达DNA方面，我们有了更好的理解。虽然我们还不知道所有重要的基因控制特性位于DNA分子的那个地方，但我们现在知道我们应该可以在核小体的边缘找到它们中的一些。”普格补充称：“我们甚至可能发现一些以前不曾知道的控制基因的位点。”
原始出处：http://www.physorg.com/news94308836.html
部分英文原文：
Nature 446, 572-576 (29 March 2007) | doi:10.1038/nature05632; Received 20 October 2006; Accepted 26 January 2007
Translational and rotational settings of H2A.Z nucleosomes across the Saccharomycescerevisiae genome
Istvan Albert1, Travis N. Mavrich1,2, Lynn P. Tomsho1, Ji Qi1, Sara J. Zanton1,2, Stephan C. Schuster1 & B. Franklin Pugh1,2
Center for Comparative Genomics and Bioinformatics,
Center for Gene Regulation, Department of Biochemistry and Molecular Biology, The Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania 16802, USA
Correspondence to: B. Franklin Pugh1,2 Correspondence and requests for materials should be addressed to B.F.P. (Email: bfp2@psu.edu).
structure of gateways to gene control
Abstract
The nucleosome is the fundamental building block of eukaryotic chromosomes. Access to genetic information encoded in chromosomes is dependent on the position of nucleosomes along the DNA. Alternative locations just a few nucleotides apart can have profound effects on gene expression1. Yet the nucleosomal context in which chromosomal and gene regulatory elements reside remains ill-defined on a genomic scale. Here we sequence the DNA of 322,000 individual Saccharomyces cerevisiae nucleosomes, containing the histone variant H2A.Z, to provide a comprehensive map of H2A.Z nucleosomes in functionally important regions. With a median 4-base-pair resolution, we identify new and established signatures of nucleosome positioning. A single predominant rotational setting and multiple translational settings are evident. Chromosomal elements, ranging from telomeres to centromeres and transcriptional units, are found to possess characteristic nucleosomal architecture that may be important for their function. Promoter regulatory elements, including transcription factor binding sites and transcriptional start sites, show topological relationships with nucleosomes, such that transcription factor binding sites tend to be rotationally exposed on the nucleosome surface near its border. Transcriptional start sites tended to reside about one helical turn inside the nucleosome border. These findings reveal an intimate relationship between chromatin architecture and the underlying DNA sequence it regulates.
