第八章真核生物的基因調(diào)控(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 單側(cè)肥大（身體的一側(cè)生長過剩）等生長異常。%，無性別差異，85%為散在發(fā)病，15%為家族性遺傳，符合常染色體顯性遺傳[7]。家族性遺傳為母親單側(cè)遺傳，因此顯示了和基因印記有關(guān)[8]。BWS致病基因尚不完全清楚，（）[9]，在這個(gè)基因組區(qū)域，IGFH1INS、KvLQTLIT1和p57KIP2等印記基因聚集存在，其中IGFH1p57KIP2和LIT1等基因與機(jī)體的發(fā)育和分化有關(guān)。有許多關(guān)于它們和BWS相關(guān)研究的報(bào)道，其中p57KIP2，LIT1作為其致病基因的可能性尤其引人注目。 目前，關(guān)于基因印記的研究已成為分子遺傳學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域，已有數(shù)十個(gè)印記基因被發(fā)現(xiàn)和克隆。已發(fā)現(xiàn)這些基因與機(jī)體發(fā)育的許多方面有關(guān)，如胎兒發(fā)育和胎盤生長，細(xì)胞分裂和個(gè)體行為。因此，正常印記模式的改變在臨床上會引起許多疾病。本文介紹基因印記在人類遺傳疾病發(fā)生中的作用的最新研究進(jìn)展。 3）染色體丟失有的生物在個(gè)體發(fā)育的早期在體細(xì)胞中要丟失部分染色體，而在生殖細(xì)胞中保持全部的基因組，被丟失的染色體其上的遺傳信息可能對體細(xì)胞來說沒有什么意義，而對生殖細(xì)胞的發(fā)育也許是不可缺少的，現(xiàn)在我們來看下面的兩個(gè)有名的例子。馬蛔蟲（Parascaris equoorum）受精卵細(xì)胞內(nèi)只有一對染色體（2n =2）（另一亞種2n=4），但染色體上有多個(gè)著絲粒。在發(fā)育早期僅一個(gè)著位點(diǎn)發(fā)揮作用，保證正常有絲分裂的進(jìn)行。發(fā)育后一階段，在縱裂的細(xì)胞中染色體分成很多小片段，其中部分含著絲點(diǎn)，不含著絲點(diǎn)的片段在分裂中丟失。而在橫裂的細(xì)胞中染色體并不丟失。第一次卵裂是橫裂，產(chǎn)生上下兩個(gè)子細(xì)胞，由于受精卵中含有的各種物質(zhì)并不是勻一分布，而是從上到下呈一種梯度分布，也就是說上面的動物極和下面的植物極成分是不同的，它影響到分裂的方向和染色體的丟失。第二次卵裂時(shí)下面的子細(xì)胞仍進(jìn)行橫裂，保持著原有的基因組，而上面的子細(xì)胞卻進(jìn)行縱裂，丟失了部分染色體（圖181）。長此下去最下面的子細(xì)胞總是保持了全套的基因組，將發(fā)育成生殖細(xì)胞，其余丟失了部分染色體片段的細(xì)胞分化為體細(xì)胞。此可能是由于在植物極中有特殊的物質(zhì)的存在，這種物質(zhì)具有保護(hù)染色體不受削減的功能。小表癭蚊（Mayetiole destructor）受精卵的細(xì)胞核分裂，而受精卵不分裂，形成合胞體（syncytium）。當(dāng)核第3次分裂后，有兩核移向卵后端的一個(gè)特殊區(qū)域，叫做極細(xì)胞質(zhì)，在極細(xì)胞質(zhì)中的核保持了全套的染色體（2n =40），將來分化為生殖細(xì)胞。而在一般的細(xì)胞質(zhì)中，染色丟失了32條，只保留8條，將來分化為體細(xì)胞。若在細(xì)胞核移向極質(zhì)前，用細(xì)尼龍絲在極質(zhì)處進(jìn)行結(jié)扎，不讓核移入極質(zhì)或者用紫外線照射極質(zhì)，結(jié)果所有的核中都只保留了8條染色體。極細(xì)胞質(zhì)中有很多核糖體樣的顆粒，可以保護(hù)染色體不被削減，當(dāng)紫外線照射后破壞了其功能，染色體照樣也會丟失，最終不能發(fā)育為生殖細(xì)胞。4）染色體的擴(kuò)增染色體的擴(kuò)增其本質(zhì)是指細(xì)胞內(nèi)特定基困拷貝數(shù)專一性大量增加的現(xiàn)象稱為基因的擴(kuò)增（amplification）。最為人們熟知的例子是兩棲類和昆蟲卵母細(xì)胞rRNA基因的擴(kuò)增。非洲爪蟾的每條染色體上有約450拷貝編碼18S r RNA和28S r RNA的DNA，它們成簇存在，重復(fù)串聯(lián)在一起，形成核仁組織區(qū)?？墒窃诼涯讣?xì)胞中它們的拷貝數(shù)擴(kuò)大了1000倍以上。卵母細(xì)胞十分特殊。它為胚胎的發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)，直到發(fā)育成蝌蚪階段。它的細(xì)胞質(zhì)中也存在著翻譯裝置。此是實(shí)行分化時(shí)必須的。在卵子發(fā)生時(shí)，當(dāng)內(nèi)含物不斷增加時(shí)，其體積也大大增加，形成了毗鄰在一起的滋養(yǎng)細(xì)胞。（令人驚奇的是受精時(shí)卵中有很多核糖體，一個(gè)不帶有18S和285RNA的純合體也可以發(fā)育到蝌蚪階段，然后死亡。）卵母細(xì)胞核為細(xì)胞的第一次減數(shù)分裂的前期提供必要的物質(zhì)，但進(jìn)一步的發(fā)育卻被制止了。兩棲類減數(shù)分裂的染色體是巨大的，在活性區(qū)域中有很多的側(cè)環(huán)，形成燈刷染色體。在卵母細(xì)胞的核中有數(shù)以千計(jì)大小不等的核仁。每個(gè)核仁含有大小不同的環(huán)狀rDNA，它是染色體上18S和28S rDNA的串聯(lián)重復(fù)單位經(jīng)滾環(huán)復(fù)制從染色體上釋放出來的。DNA的這種擴(kuò)增的過程尚不完全清楚。此DNA的環(huán)產(chǎn)生rRNA，組裝成核糖體，儲備在核仁中到減數(shù)分裂時(shí)再釋放出來。另一種擴(kuò)增的例子是在果蠅和其它雙翅同昆蟲的唾腺中。多線染色體（polytenne chromosomes）具有特異的膨松區(qū)，發(fā)現(xiàn)此是產(chǎn)生過量的DNA，而不是mRNA。Ｇeorge Rudkm 早在1960年就指出：果蠅唾腺的多線染色體其常染色質(zhì)DNA可以特異擴(kuò)增上千倍，而在異染區(qū)附近只可復(fù)制幾次。加上細(xì)胞分裂時(shí)染色體的正常復(fù)制，在染色體存在著特殊的擴(kuò)增位點(diǎn)，而其它的部分并不擴(kuò)增。在大部分體細(xì)胞中基因組的內(nèi)容是保持不變的，但是某些順序相對比例有時(shí)會發(fā)生變化。最有特色的例子是昆蟲的幼蟲發(fā)育，在它們的基因組中特定的特殊序列會過量復(fù)制（coverreplication）或者復(fù)制不足（underrepliicaation）。復(fù)制不足發(fā)生在果蠅的多線染色體中。在此組織中，巨大染色體是由原來的二套染色體被多次復(fù)制而形成。黑腹果蠅。（）的基因組約有1/4的區(qū)域是由異染色區(qū)構(gòu)成的，形成染色體中心（chromocenaer），其大部分構(gòu)成了衛(wèi)星DNA序列。與二倍體細(xì)胞相比，在唾腺細(xì)胞中，異染色質(zhì)的相對含量非常少。這是由于常染色質(zhì)DNA順序在多線化的過程中大量復(fù)制，而異染色體部分卻不能大量復(fù)制。測定了衛(wèi)星DNA的含量表明此序列不復(fù)制或很少復(fù)制，而常染色質(zhì)在唾腺中復(fù)制9次。多線組織的 rRNA基因也是復(fù)制不足的，rDNA的區(qū)域雖有6~7次的復(fù)制，但實(shí)際上無論存在一個(gè)還是兩個(gè)核仁形成區(qū)，最終達(dá)到的水平都是相同的。這種劑量控制形式可能僅特異于rDNA。黑腹果蠅的基因組在多線組織中可以分成三種類型控制復(fù)制區(qū)。一個(gè)很自然的假設(shè)是各類區(qū)域的復(fù)制原點(diǎn)控制起始的數(shù)量。衛(wèi)星DNA中的起始區(qū)不易識別； rDNA中的起始區(qū)對r DNA基因的數(shù)量作出反饋性反應(yīng)，停止其功能；一般的常染色質(zhì)的起始區(qū)可持續(xù)起始直到結(jié)束。在昆蟲中特殊蛋白的編碼序列存在著不同的擴(kuò)增。在Rhyncosciara 和其它昆蟲的唾腺中產(chǎn)生DNA膨松（DNA puffs）。這種膨松表面上和雙翅目中多線染色體存在的活性斑帶相似，但膨松卻含有局部的DNA擴(kuò)增。此擴(kuò)增的序列可能經(jīng)過4次復(fù)制，使拷貝數(shù)增加了16倍。在黑腹果蠅的發(fā)育中，其卵殼基因提供了一種不同的擴(kuò)增機(jī)制，卵殼蛋白是由多倍體的卵泡細(xì)胞合成和分泌的。昆蟲的卵殼基因成簇排列，在黑腹果蠅中已鑒別出兩組。在卵泡中其中一組位于X染色體上的基因在表達(dá)之前，經(jīng)4次重復(fù)，擴(kuò)增了16倍；另一組基因在第 Ⅲ 染色體上，它們經(jīng)6次重復(fù)，擴(kuò)增了64倍。在這兩組中，擴(kuò)增區(qū)域延伸到卵殼基因另一側(cè)約45~50 Kb。擴(kuò)增最多的區(qū)域是在卵殼基因周圍約20Kb的區(qū)域。當(dāng)擴(kuò)增延伸到另一側(cè)時(shí)，擴(kuò)增顯示出一個(gè)下降的斜率。是什么在控制這種擴(kuò)增呢？下降的斜率表明在單個(gè)分子中擴(kuò)增區(qū)域的端點(diǎn)是異源的。從圖182中的橫型中可能得到解釋。雙向復(fù)制的重復(fù)起始發(fā)生在這個(gè)區(qū)域的中心部分。復(fù)制叉相距10~50Kb。這個(gè)模型認(rèn)為整個(gè)的復(fù)制區(qū)是作為一個(gè)復(fù)制子。此復(fù)制區(qū)是否含有一個(gè)順式一作用區(qū)負(fù)責(zé)復(fù)制呢？當(dāng)這個(gè)區(qū)域的染色體發(fā)生突變時(shí)應(yīng)不會出現(xiàn)擴(kuò)增。在雜合子中，染色體的突變也會阻止擴(kuò)增。若這區(qū)域被易位到別處的話。它本身的復(fù)制叉也會發(fā)起擴(kuò)增。單眼缺乏（ocelliless）突變的性質(zhì)和這種推測是符合的。這種突變導(dǎo)致了復(fù)雜的表型變化，它是約3個(gè)斑帶區(qū)域的倒位，位于X染色體上，含有卵殼基因的區(qū)域。卵殼基因位于倒位左端3Kb的區(qū)域。這個(gè)倒位引起重要的改變是擴(kuò)增橫式的變化。圖183將野生型和小眼缺失突變的擴(kuò)增區(qū)域進(jìn)行了比較，原來的擴(kuò)增區(qū)在斷裂點(diǎn)的左側(cè)長40Kb；易位后擴(kuò)增區(qū)在斷裂點(diǎn)的右側(cè)，長約50Kb。擴(kuò)增的水平比原先有所減少，約是野生型極大值的一半（水平減少的原因尚不清楚）。結(jié)果表明復(fù)制原點(diǎn)能發(fā)起卵殼蛋白附近區(qū)域擴(kuò)增。無論復(fù)制原點(diǎn)的位置發(fā)生什么變化，擴(kuò)增區(qū)域的延伸仍保持不變。（1）基因組序列的選擇性擴(kuò)增真核基因組具有調(diào)節(jié)內(nèi)、外源基因組附加序列的能力。外源序列是通過轉(zhuǎn)染（transfection）傳導(dǎo)入細(xì)胞的。內(nèi)源序列是由某一存在序列通過擴(kuò)增而產(chǎn)生的。在這兩種情況下它們的共同特點(diǎn)是：附加序列有可能以串聯(lián)排列的形式含有很多重復(fù)單位的拷貝。包涵在重復(fù)單位中的基因并不是每個(gè)拷貝都需要表達(dá)。但表達(dá)隨著拷貝數(shù)趨向于增加。無論是由轉(zhuǎn)染還是擴(kuò)增而產(chǎn)生的多拷貝串聯(lián)序列在細(xì)胞中可能以兩種形式存在。若它形成染色體外的單位。則以一種不規(guī)則的方式遺傳：在真核細(xì)胞分裂時(shí)，細(xì)菌的質(zhì)粒是不能均等地分配到子細(xì)胞中，因此完整的單位很少存在。內(nèi)源序列的擴(kuò)增是由那些對一定的試劑敏感的選擇細(xì)胞所發(fā)動的。最好的例子是在一定的細(xì)胞系中加入氨甲喋呤（ methotrexate） 結(jié)果導(dǎo)致擴(kuò)增。此試劑是二氫葉酸還原酶(DHFR)的抑制劑，可阻斷了葉酸鹽的代謝。DHFR的突變，改變活性使其對氨甲喋呤產(chǎn)生抗性。酶本身的改變是作為一種選擇，而酶量可以增加。酶量的增加是dhfr結(jié)構(gòu)基因數(shù)目的擴(kuò)增所致。擴(kuò)增發(fā)生頻率要比自發(fā)的點(diǎn)突變的頻率多得多，一般的范圍是104~106。像這樣類似的基因擴(kuò)增現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)20種以上的其它基因。在這些系統(tǒng)中大部分存在著共同的特點(diǎn)，就是簡單地一次加入試劑并不能獲得高度抗性的細(xì)胞，而是逐步地增加有毒試劑的劑量，使細(xì)胞漸漸適應(yīng)，從而產(chǎn)生抗性細(xì)胞。因此基因的擴(kuò)增是需要一系列的步驟。擴(kuò)增也僅僅只發(fā)生在二個(gè)dhfr等位基因中的一個(gè)上。對氨甲喋呤抗性的增加是依靠這一基因座位擴(kuò)增的程度來完成的。在抗氨甲喋呤細(xì)胞中dhfr基因數(shù)目的變化范圍是40~400拷貝，拷貝數(shù)的多少取決于選擇的程度和單個(gè)細(xì)胞系本身。mtxr (metnotrexate 抗性) 細(xì)胞系分為穩(wěn)定系和不穩(wěn)定系兩類，細(xì)胞在缺乏氨甲喋呤的條件下生長時(shí)除去原來的高水平DHFR活性的壓力，它們的反應(yīng)不同，二者的差別如圖184所示。（1）在穩(wěn)定系中擱增的基因得以保持，因?yàn)樗鼈兾挥谌旧w上dhfr基因的位點(diǎn)上，而其內(nèi)源染色體上的等位基仍保持正常的單個(gè)拷貝。（2）在不穩(wěn)定系統(tǒng)中，當(dāng)選擇壓力釋放時(shí)，擴(kuò)增的基因至少會部分丟失。但未丟失的是以染色體外的排列方式存在?；驍U(kuò)增在染色體上有一個(gè)可見的效應(yīng)。在穩(wěn)定系統(tǒng)中，dhfr位座能形成一個(gè)均染色區(qū)（homogeneously staining region,HSR），例如圖185所示的情況。稱其為均染區(qū)是由于在染色體上存在著一條增加的區(qū)域。用分帶技術(shù)來處理(如G帶)后，這一區(qū)域不顯示任何染色體帶，表明帶間的某一區(qū)域經(jīng)歷了一種擴(kuò)增。在不穩(wěn)定的細(xì)胞系中，看來常有dhfr基因的染色體沒有什么明顯的改變，但是可以看到很多染色體外的點(diǎn)狀染色體，稱為雙微體(doubleminute chromosomes)（圖186）。在典型的細(xì)胞系中，每個(gè)雙微體帶有2～4 dhfr基因。雙微體可以復(fù)制；但它們沒有著絲粒，結(jié)果它們不能附著在有絲分裂的紡錘絲上，因此不能均等分離進(jìn)入子細(xì)胞。雖然它的名字叫雙微體，實(shí)際上可看作為染色體外的微小染色體。雙微體的不規(guī)則遺傳解釋了在這個(gè)細(xì)胞系中氨甲喋呤抗性的不穩(wěn)定性。在細(xì)胞分裂時(shí)雙微體連續(xù)地丟失；在氨甲喋呤存在時(shí)，dhfr基因減少的細(xì)胞將會死亡。只有哪些保持足夠數(shù)量雙微體的細(xì)胞才能幸存下來。雙微體的存在減少了增殖細(xì)胞的比例。當(dāng)去除選擇壓力時(shí)，缺乏基因擴(kuò)增的細(xì)胞便有了一種優(yōu)勢，它們可以迅速產(chǎn)生后代，在群體中占主導(dǎo)地位。這就解釋了為什么這種擴(kuò)增狀態(tài)僅存在具有氨甲喋呤的環(huán)境中。由于雙微體不均等分離，在分裂時(shí)受到選擇的細(xì)胞中，其拷貝數(shù)能迅速增加。在培養(yǎng)條件中增加氨甲喋呤的水平，結(jié)果帶有大量雙微體的細(xì)胞也增加。雙微體的行為解釋了mtxr條件的逐步進(jìn)化和不穩(wěn)定細(xì)胞系中dhfr基因水平持續(xù)不斷地波動。穩(wěn)定和不穩(wěn)定細(xì)胞系，兩者都是在氨甲喋呤抗性長期選擇之后產(chǎn)生的?；驍U(kuò)增的最初階段是由什么起始的呢？在短期選擇之后，大部分或全部的抗性細(xì)胞都是不穩(wěn)定的。很明顯染色體外的拷貝的形成要多于在染色體內(nèi)的擴(kuò)增。在此過程的最早階段，擴(kuò)增的dhfr基因可能是作為小的染色體外的單位存在，這在雙微體或其它染色體變化之前是可以檢測出的。擴(kuò)增的區(qū)域要比dhfr本身長一些。這個(gè)基因長約31Kb但在染色體的HSR中重復(fù)單位的平均長度是500～1000Kb。擴(kuò)增區(qū)域的延伸在各細(xì)胞系是不同的。在雙微體中含有DNA的總量的范圍是100～1000Kb。染色體外的拷貝是怎樣產(chǎn)生的呢？我們知道它們后代產(chǎn)生時(shí)并未丟失原來染色體的拷貝。這有兩種可能：（1）復(fù)制的附加環(huán)可能在dhfr基因附近起始，然后通過dhfr拷貝之間的非同源重組而產(chǎn)生（圖187）；（2）或是等位基因之間的非同源重組來起始這個(gè)過程。額外的拷貝可能是通過類似于重組的事件將其從染色體釋放出來。根據(jù)這些事件的特點(diǎn)，不難推測，它可能會產(chǎn)生出一個(gè)含有單個(gè)或多個(gè)拷貝的DNA分子。若雙微體含有環(huán)狀DNA的話，在任何情況下它們之間的重組似乎是可以產(chǎn)生多體分子。一個(gè)不穩(wěn)定的細(xì)胞系其擴(kuò)增的基因編碼了一個(gè)突變的DHFR酶，它提供了一些涉及到雙微體得以永存的信息。在原來的二倍體細(xì)胞系中并不存在這種突變的酶，因此突變必然是在擴(kuò)增某一時(shí)刻發(fā)生的。盡管擴(kuò)增基因的數(shù)目不同，但這些細(xì)胞僅僅顯示了突變酶。一旦染色體外的基因被擴(kuò)增了，細(xì)胞狀態(tài)的改變就由這些基因介導(dǎo)，而不由原來染色上的拷貝來控制。當(dāng)除去后，此細(xì)胞系以通常的方式丟失了雙微體。若再加氨基喋呤，正常的基因又被擴(kuò)增，產(chǎn)生一個(gè)新的雙微體群體。此表明沒有一個(gè)突變基因的染色體外的拷貝整合入染色體。這些結(jié)果還表明突變系的雙微體只帶有突變基因。若每個(gè)雙微體多于一個(gè)dhfr基因時(shí)，那么所存的雙微體必定表現(xiàn)為突變型。這表明多拷貝雙微體可能由單個(gè)的染色體外基因產(chǎn)生的。一個(gè)重要的問題是擴(kuò)增的染色體拷貝是由整個(gè)核外染色體拷貝產(chǎn)生的，還是通過一種游離的機(jī)制?，F(xiàn)在我們還不知道擴(kuò)增的過程是染色體內(nèi)的基