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PNAS:科学家发现组蛋白修饰可控制基因的表达

来源:生物谷 2013-08-07 23:31

2013年8月7日 讯 /生物谷BIOON/ --通过在酵母中研究基因功能,近日,来自宾州州立大学(Penn State University)等处的研究者通过研究发现,组蛋白的修饰可以控制是否一个基因被允许发挥功能,这对于维持基因的表达潜力非常重要,以便来确定未来细胞的行为;相关研究刊登于国际著名杂志PNAS上。

研究者Bai表示,基因表达是任何生物活性细胞最重要的一个基础环节,基因表达的不同程序,甚至是拥有同样DNA的细胞,其都会表现出不同的细胞行为和功能;比如人类肌肉细胞和神经细胞拥有同样的DNA,但是其行为和功能并不一样;基因表达的错误调节会影响细胞的适合度并且引发疾病;基因表达趋于在细胞间表现出不同,错误调节是在一小类细胞中发生的,而且这些细胞随后也会发病,因此在单一细胞水平上研究基因调节至关重要。

研究者使用细胞分裂的荧光录影技术,就可以观察到一种名为HO的基因在单一酵母细胞中如何进行表达,正常情况下,HO的表达会使得芽殖酵母变性,即从雄性变成雌性;而更有意思的是这种性转变仅仅是在母体细胞中发生的。研究者发现,HO基因在98%的母体细胞中表达,同时也在3%的子代细胞中表达。

研究者当前发现的问题是,为何在2%的母体细胞及3%的子代细胞中,HO基因的表达调节是失败的,最终研究者发现问题出在组蛋白上,组蛋白是一种携带有DNA的蛋白复合体,组蛋白结构的改变可以影响部分细胞的功能,进而使得HO基因出现错误表达;如果HO基因在单一细胞中开启,其很有可能在该细胞的后代细胞中也被开启表达,而HO基因表达的这种短期记忆可以通过组蛋白修饰来完成。

后期研究中,研究者希望继续深入剖析基因表达,尤其是在单一细胞水平上来研究基因表达,这对于理解人类疾病的发展及致病机理非常重要。相关研究由NIH等机构提供资助。(生物谷Bioon.com)

Stochastic expression and epigenetic memory at the yeast HO promoter

Qian Zhanga,b, Youngdae Yoona,b, Yaxin Yuc, Emily J. Parnellc, Juan Antonio Raygoza Garayd, Michael M. Mwangib,d, Frederick R. Crosse, David J. Stillmanc, and Lu Baia,b,f,1

Eukaryotic gene regulation usually involves sequence-specific transcription factors and sequence-nonspecific cofactors. A large effort has been made to understand how these factors affect the average gene expression level among a population. However, little is known about how they regulate gene expression in individual cells. In this work, we address this question by mutating multiple factors in the regulatory pathway of the yeast HO promoter (HOpr) and probing the corresponding promoter activity in single cells using time-lapse fluorescence microscopy. We show that the HOpr fires in an “on/off” fashion in WT cells as well as in different genetic backgrounds. Many chromatin-related cofactors that affect the average level of HO expression do not actually affect the firing amplitude of the HOpr; instead, they affect the firing frequency among individual cell cycles. With certain mutations, the bimodal expression exhibits short-term epigenetic memory across the mitotic boundary. This memory is propagated in “cis” and reflects enhanced activator binding after a previous “on” cycle. We present evidence that the memory results from slow turnover of the histone acetylation marks.

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