主题:转录

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北大生科院最新PNAS文章

来自北京大学,德国癌症研究中心等处的研究人员发表了题为“The chromatin remodeling complex NuRD establishes the poised state of rRNA genes characterized by bivalent histone modifications and altered nucleosome positions”的文章,发现了不同于以往所知核糖体基因启动子的一类新启动子,这种启动子介于转录活跃和转录抑制中间状态。这一相关成果公布在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上。

文章的通讯作者是北京大学陶伟教授,以及德国国家癌症研究所Ingrid Grummt教授,第一作者是陶伟实验室的博士生谢文兵、凌特和德国国家癌症研究所的周永刚博士。

细胞需要持续不断的核糖体合成来保证蛋白质的合成。核糖体RNA是由RNA聚合酶I来转录的,核糖体基因的转录水平主要由表观遗传机制来控制。这一机制能够高效快速地应答细胞分化、癌化、衰老等信号,来调整核糖体基因的表观遗传修饰状态,从而调控核糖体基因的表达和蛋白质合成水平,最终帮助完成细胞的各种生命活动。 

在这篇文章中,研究人员发现在核糖体基因启动子区,除转录活跃和转录抑制两种状态的启动子外,还存在另外一类介于转录活跃和转录抑制中间状态的启动子,其核小体处于转录关闭的位置,但却是去甲基化的。

同时伴随着活跃和抑制性的组蛋白修饰,这类启动子上装配有转录起始复合体的前体,可被其它染色质改构复合体进一步调控到活跃转录的表观遗传修饰状态,最终导致转录起始复合体的组装完成和转录起始。细胞分化过程中核糖体基因的转录抑制,是由于这类启动子不能够被转换成转录活跃的启动子,导致核糖体基因的转录抑制。

这些研究表明核糖体基因启动子区域动态的表观遗传修饰调控,可调控转录起始复合体的组装和解聚循环。在应答细胞分化等细胞生命活动时,该动态过程被阻断在中间阶段,使得核糖体基因快速关闭。这种兼具活跃和抑制性的表观遗传修饰,也能够使核糖体基因在细胞活动需要时被快速激活。 

表观遗传学研究近年来备受关注,北京大学在这一领域也获得了不少成果,比如北大医学部尚永丰教授研究组去年也获得了相关成果——揭示了一种组蛋白乙酰基转移酶HAT4的结构及功能特征。

他们利用基因重组技术分离纯化出活性HAT4并对其进行了特征鉴定,发现HAT4是一种B型组蛋白乙酰基转移酶。在体内试验中,研究人员进一步证实HAT4缺失可导致细胞内核小体组装修复,细胞增殖抑制,促使细胞对DNA损伤敏感,诱导细胞发生了凋亡。表明HAT4在维持基因组结构和功能中发挥了着极其重要的作用。 

(生物通:万纹)

日期:2012年5月18日 - 来自[遗传与基因组]栏目

研究揭示转录因子调控新作用

来自中科院上海生科院神经所的研究人员发表了题为“c-Maf is required for the development of dorsal horn laminae III/IV neurons and mechanoreceptive DRG axon projections”的文章,发现了转录因子c-Maf能调控脊髓背角及背根神经节中机械感觉神经元的发育,这揭示了c-Maf在脊髓背角III/IV层神经元发育、背根神经节RA LTM的发育及其投射建立中的重要作用。相关成果公布在The Journal of Neuroscience杂志上。

 

文章的通讯作者是神经所神经发育及其调控机理研究组程乐平研究员,第一作者是博士研究生胡佳和黄天文,其中程乐平研究员曾在美国哈佛大学医学院Dana-Farber癌症研究所从事博士后研究,2005年回国进入上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所。

 

正常的躯体感觉依赖于外周背根神经节(DRG)及其投射区–脊髓背角神经元间建立精确的连接。机械刺激(包括物体质地、形状、振动及压力等信息)被外周感觉小体中的DRG机械感觉神经元接收,并向中枢投射至脊髓背角的III/IV层及脑形成触压觉。

 

目前已知一些分子在脊髓背角神经元、感知痛觉及本体感觉的DRG神经元的发育中发挥重要作用。然而,关于参与形成触压觉的脊髓背角III/IV层神经元及DRG中低阈值的机械感觉神经元(low-threshold mechanoreceptor, LTM)的发育,目前的报道还很少。

 

在这篇文章中,研究人员利用原位杂交及免疫组化染色等技术,发现转录因子c-Maf特异表达在脊髓背角的III/IV层神经元及背根神经节有髓鞘的中大直径神经元中。通过分析敲除小鼠的表型,发现c-Maf 调控脊髓背角III/IV层神经元的发育。

 

进一步实验表明,c-Maf 基因敲除特异影响表达MafA、Ret及GFRα2的快适应性(rapidly adapting, RA)LTM的发育及其向中枢脊髓背角III/IV层神经元与外周帕西尼氏小体(Pacinian corpuscles)的投射。该研究结果揭示了转录因子c-Maf在脊髓背角III/IV层神经元发育、背根神经节RA LTM的发育及其投射建立中的重要作用。

 

同期The Journal of Neuroscience杂志还发表了题为“c-Maf Helps Specify RA Afferent Fate(c-Maf 帮助决定RA传入纤维命运)”的点评文章,对这一成果进行了介绍。

 

程乐平研究组此前还曾在JBC杂志上发表了与另一研究组合作的成果:提出了不同转录因子的时空组合决定Nestin基因表达的新机制,这必将丰富人们对神经前体细胞的生物特性的认识。(来源:生物通 万纹)

日期:2012年5月2日 - 来自[遗传与基因组]栏目

华大基因揭示人转录组中存在大量的RNA编辑

近日,来自深圳华大基因研究院和台湾长庚大学的研究人员研发了一种对人类转录组中的RNA编辑位点进行测定和分析的新型计算方法,并发现人类转录组中存在大量的RNA编辑现象,该成果于2012年2月12日在国际著名杂志《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)上在线发表。本研究利用最新的RNA-seq技术对人类个体中的RNA编辑位点进行了准确、全面的检测和广泛的分析,对提高研究人员采用新一代测序技术对RNA编辑进行研究及进一步了解RNA编辑与人类发育以及正常或疾病等不同生理状态的关系发挥了重要的作用。

RNA编辑是指DNA转录成RNA前体(pre-RNA)后,RNA序列内一些特异位点的核苷酸发生删除、添加或修饰等变化,使得RNA所携带的遗传信息发生改变的过程。这种改变影响了基因的表达,使得一个基因可能产生几种结构和功能不同的蛋白质。RNA编辑在灵长类进化和高级脑功能的发育等方面被视为重要因素。尽管科学家们已经对RNA编辑修饰机理进行了一些研究,如对遗传信息的改变、对RNA剪接和miRNA调控的影响等,但是对人类中RNA编辑的发生和作用仍知之甚少。因此,准确全面地对RNA编辑位点的鉴定和分析是深入理解转录后修饰相关机制等方面研究的关键一步。

去年5月份,来自美国宾夕法尼亚大学医学院及北卡罗来纳州立大学医学院的研究小组在《科学》(Science)杂志上发表了一篇关于“RNA与DNA序列存广泛差异”的文章。研究人员发现大量的RNA与其模板DNA序列不一致,他们在外显子中发现了超过1万个不同的位点。除部分不一致位点是已知的A到G的编辑类型外,该研究小组还观察到了所有12种可能的编辑类型,这表明mRNA有可能在将遗传信息从细胞DNA携带至蛋白质加工厂的过程中以某种未知的‘RNA编辑’机制进行了重新编辑,并且编辑发生的普遍性远超出原有的认识。如果这一研究发现被证实是真实的,将会导致分子生物学中的“遗传中心法则”被改写。然而,一些科学家对此持怀疑态度,他们认为很大一部分RNA和DNA不一致的位点有可能是研究人员在使用高通量测序仪进行测序时的系统误差或生物信息学分析方法不够严谨导致的假阳性。针对这些问题,华大基因的研究人员研发了一个更加严谨的算法解答读者提出的各项质疑,这将对这一领域的进一步研究带来极大的帮助。

在本研究中,科研人员采用新一代测序技术对已有全基因组测序的“炎黄一号”(YH)样本的类淋巴细胞系进行全转录组测序。通过比较分析,共鉴定出22,688个RNA编辑位点,其中有21,113个位点是由腺嘌呤(A)转变为鸟嘌呤(G);有1,146个是单碱基之间的转换(包括嘌呤与嘌呤之间的替换或嘧啶与嘧啶之间的替换);还有429个位点发生了单碱基颠换(嘌呤和嘧啶之间的替换)。目前,这些数据已经在线公开发布(http://yheditome.genomics.cn/mgb2/gbrowse)。此外,科研人员还在miRNAs中发现了44个编辑位点,表明RNA编辑和miRNA介导的基因表达调控可能存在某种联系。

文章第一作者、华大基因科技合作事业部副总裁彭智宇说:“这些研究结果证明我们的新计算方法和流程能够精准、有效地对RNA编辑位点进行鉴定和分析。该方法在鉴定RNA编辑位点的过程中采用多重过滤方法,有效排除假阳性结果,消除偏差,从而可以准确全面的反映人类全基因组RNA编辑的情况。”

RNA-Seq技术又被称为“全转录组鸟枪法测序”技术,其作为一种新一代测序技术在基因表达定量和基因结构变化检测等方面具有不可比拟的优势。华大基因执行院长王俊教授说:“在这次研究中,我们采用了RNA-Seq技术对样本进行测序,并研发了一套更加精确的新型计算方法去全面、准确地挖掘人的转录组中所存在的RNA编辑位点。我们希望在将来该方法能够被应用于大规模的RNA编辑研究中,为深层揭示RNA水平上基因调控的分子机制提供科学手段。”

日期:2012年2月16日 - 来自[RNA研究]栏目

小鼠组织新转录本鉴定研究取得进展

近日,中国科学院北京基因组研究所胡松年项目组利用新一代测序数据,运用生物信息学方法,在小鼠的几个组织中发现了几千个新的转录本。该研究成果的完成拓宽了转录组数据分析的思路,有利于更全面地认识小鼠的转录组组成,并进一步补充了其基因组的注释,相关成果论文在frontiers in genetics杂志发表。

本研究运用通过去除核糖体技术构建的转录组文库的二代测序数据,该项技术理论上可以捕获较全面的RNA分子。通过深入分析,在小鼠的大脑、睾丸和胚胎干细胞中发现了几千个新的转录本(大部分是非编码RNA)。这些新检测到的转录本与转录起始和延伸的信号密切相关,在这些转录本上游,科研人员看到了H3K4me3,RNAPII结合位点和CAGE等标志转录起始的特征。而且这些转录本的基因组位置、外显子序列和启动子经过了进化的选择,由此可以看出它们潜在的功能性。

这些结果定义了一个小鼠基因组的新的转录本集合,这些转录本在小鼠的细胞和组织中有一定的功能。

转录组研究是一种被广泛应用的、从整体的层次研究材料中基因表达与调控的研究手段,在探索生命过程以及形形色色的生物学问题,如疾病发生等的研究中发挥重要的作用。以前的转录组研究主要侧重于对mRNA的研究,随着不同类型RNA分子的发现以及其重要生物学功能的揭示,转录组的研究内容也随之拓展。新一代测序技术以其高通量数据的产出为鉴定低丰度表达的转录本提供了机会,另一方面,文库构建技术的发展也使科研人员有机会更高效全面的捕获RNA分子。人们将有机会更全面深入地认识转录组,并在此基础上开展研究。

日期:2012年2月16日 - 来自[遗传与基因组]栏目

王纲研究员Cell子刊发转录调控新见解

来自中国科学院上海生命科学研究院生化与细胞所和美国新泽西医科大学的研究人员在新研究中发现了中介体复合物(Mediator  Complex)在调控mRNA可变加工中的重要作用,文章“Mediator  Complex  Regulates  Alternative  mRNA  Processing  via  the  MED23  Subunit”发表在最新的Cell子刊《分子细胞》(Molecular  Cell)杂志上。
文章的通讯作者是973计划首席科学家、中科院上海生命科学研究院生化与细胞所王纲研究员。其主要研究方向为真核基因表达调控以及癌症与干细胞生物学。该研究得到了中国科学院、科技部,国家自然科学基金委和美国NIH等机构的经费支持。
基因的表达调控受到转录及转录后等多种水平的调节。mRNA的加工,包括加帽、剪接、加尾等,作为转录后调控的重要方式,是维持生物蛋白质功能多样性的重要机制。mRNA可变加工与细胞的命运决定等发育过程、以及疾病的发生发展相关。转录中介体复合物(Mediator  Complex)的经典功能是转录因子和通用转录机器之间传递信息的分子桥梁,精细控制基因的转录发生。长期以来有预测性假说认为转录中介体复合物可能与mRNA的加工有关,但一直缺乏突破性发现。
在这篇文章中,研究人员首先用体外的方法表达纯化了一系列可溶的中介体复合物亚基,通过结合质谱方法首先鉴定出MED23亚基与mRNA加工因子有相互作用,运用一系列生物化学的方法确定了MED23和剪接因子hnRNP  L体内与体外的相互作用。证实了MED23能够调控hnRNP  L靶基因的选择性剪接。进一步,在全基因组水平研究中介体复合物所调控的mRNA选择性加工事件,运用生物信息学的手段分析了MED23和hnRNP  L分别敲低所影响的mRNA的外显子芯片数据,证明了MED23和剪接因子hnRNP  L  能够协同调控选择性加工。
该工作首次发现了中介体复合物在mRNA加工中的新功能,为转录和RNA加工的偶联提供了新的机制,并为中介体复合物参与的发育过程及癌症发生等提供了新的分子解释。
(生物通:何嫱)
日期:2012年1月31日 - 来自[遗传与基因组]栏目

研究揭示DNA如何解压缩并转录

人类基因组包含约30亿个碱基对,它们紧密地压缩在每个细胞的细胞核中。如果一条DNA链像头发丝那么粗,则整个人类基因组将被塞进一个垒球大小的空间,但如果把它们解开并一字排开,它们则能从纽约的伊萨卡一直伸展到波士顿。
康奈尔大学1月13日发表于《分子-细胞》(Molecular  Cell)的一项研究,梳理了细胞如何进行转录的过程,在这个过程中压缩的DNA被解开,然后一种被称为RNA聚合酶II的复合酶读取所需的DNA碱基对并将它们转录成RNA。RNA随后指令细胞合成特定的蛋白质。
值得一提的是,研究人员扩展了他们先前的工作,表明紧密DNA的解开独立于RNA聚合酶II的转录。以前许多科学家认为RNA聚合酶II在解压缩DNA的过程中发挥了主要的作用。
\"核小体解压缩的过程--尤其是在转录期间的解压缩过程,直到最近10年才被很好地描述,\"Steven  Petesch说,文章的第一作者及John  Lis实验室的研究生,John  Lis是文章的通讯作者及芭芭拉麦克林托克在康奈尔大学生子的生物学和遗传学教授.\"如果你想了解转录如何发生的基本过程,那你就需要了解推动这一过程的步骤,\"Petesch补充道。为梳理出这样的过程,Petesch和Lis利用了果蝇中的热休克基因,当温度超过一个阈值时(例如对于果蝇来说的热天及当人发烧时)热休克基因被激活。热休克基因存在于许多生物中,当温度升高时启动程序保护细胞免受损害。采用热,研究人员能够在几秒内快速启动DNA的解折叠及热休克基因的转录。
当温度升高时,一种叫做热休克因子的蛋白推动转录发生所必须的步骤。Petesch和Lis发现,热休克因子结合到热休克基因并激活了涉及一些关键酶在内的进程,最终引起多聚ADP核糖聚合酶(PARP)在局部合成多聚ADP核糖(PAR,一种类似于DNA和RNA的多聚物).
当DNA被压缩时,DNA链紧密围绕在组蛋白上,形成核小体.但是,事实表明,PAR和DNA竞争性结合组蛋白,这有助于DNA的展开及解压缩.研究人员发现,在温度升高的数秒内,在转录发生前热休克因子被招募并启动修饰组蛋白及解压缩DNA的程序.
\"这个过程完全独立于RNA聚合酶II对基因的转录,\"Petesch.Lis补充道,\"然而,这个过程又完全依赖于热休克因子和PARP合成PAR链的能力,对于迅速移除核小体及解开所诱导的基因是非常必要的。\"
几十年以来PARP一直与DNA修复同样重要并在某些癌症中为治疗靶标。
该消息由康奈尔大学提供。
日期:2012年1月20日 - 来自[遗传与基因组]栏目

遗传发育所发现两个WRKY转录因子差异调控小麦耐逆性

WRKY类转录因子调控植物生长发育的多个方面,其基因表达也受到多种非生物胁迫的影响。但这类转录因子在植物尤其是农作物耐受非生物胁迫方面的作用研究较少。
中科院遗传与发育生物学研究所陈受宜、张劲松和张正斌3个实验室合作分析了小麦中WRKY转录因子基因家族的成员,鉴定了胁迫应答基因,并研究了相关基因的耐逆性。研究人员通过EST分析鉴定了小麦的43个TaWRKY基因,随着基因组的完成,将有更多的小麦WRKY基因得到鉴定。在这些鉴定的基因中有多个基因受到多种胁迫的诱导,他们从中选定了WRKY2和WRKY19作进一步分析。
这两个蛋白均定位于细胞核,可特异结合典型的顺式作用元件W-box。通过转基因分析和胁迫下的表现及生理指标分析,研究人员发现在拟南芥中过表达WRKY2可提高转基因植物的耐盐耐旱性,而过表达WRKY19可提高转基因植物的耐旱耐盐和耐冷性。WRKY2可结合耐逆及胁迫应答基因STZ和RD29B的启动子并激活其表达。WRKY19可结合DREB2A和Cor6.6启动子并激活其表达,同时WRKY19也调控RD29A和RD29B的表达,但可能不是通过直接结合其启动子。两个基因对植物在不同胁迫下的耐受性提高可能是由于调控了不同的下游基因。
该研究鉴定了小麦中可提高耐逆性的WRKY基因,为改善作物耐逆性及相关的基因工程提供了重要基因资源和理论依据。
相关论文于1月5日在线发表于Plant,Cell  &  Environment  (doi:  10.1111/j.1365-3040.2012.02480.x.)。这3个实验室共同培养的学生牛灿芳为第一作者。该项研究受到了973、中科院项目和转基因专项的资助。
日期:2012年1月12日 - 来自[技术要闻]栏目

染色体脆性新见解

当我们的细胞接触到某些特异的化学制剂或处于某些特殊的条件下时,有可能导致染色体的某些区域发生裂隙、断裂或重排。科学家们将这些区域称之为染色体脆性部位。尽管大量的研究表明恶性肿瘤细胞中的染色体断裂点与脆性部位的位置之间存在着相关性,然而目前对于其发生的机制却仍所知甚微。
近日来自法国遗传学/分子和细胞生物学研究所的研究人员揭开了其部分的神秘面纱。Laszlo  Tora及同事发现人类最长基因的断裂是由于2种关键性的基因进程——DNA转录及复制——相互干扰所致。人们过去认为这种现象不可能在哺乳动物细胞中发生。该研究发现将有可能导致开发出新的抗肿瘤策略。相关研究论文发表在12月23日的《分子细胞》(Molecular  Cell)杂志上。
Tora及同事从一些已知包含了“常见脆性位点”的人类大基因(>80万碱基)的转录过程着手展开了研究。此前,他们推测由于这些巨大的基因的转录所需时间漫长,因而脆性位点有可能出现在转录过程中。
为了验证他们的猜测,研究人员利用流式细胞术基于细胞周期(cell  cycle)进行了细胞分选。细胞周期是指连续分裂的细胞从上一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的整个过程,包含G1期(基因转录和细胞生长期)、S期(DNA复制期)、G2期(细胞生长及细胞分裂准备期)以及M期(细胞分裂期)。研究人员发现这些巨大基因的转录期远远长于一个细胞周期的时间,直至细胞进入到下一个细胞周期早期阶段的G1或S期,它们的转录才算完成。这是一个非常令人惊讶的发现,因为一直以来人们都认为哺乳动物细胞中的基因转录是在单个细胞周期,且主要是在G1期中发生。
由于复制通常发生在S期,研究人员怀疑转录和复制相互之间的干扰作用有可能是导致巨大基因断裂的重要原因。进而他们研究了这些基因的复制过程,发现脆性位点区域的复制发生在S期的末期,而此时这些区域也同时在进行基因转录!该发现彻底改变了当前的遗传学知识,因为此前大家普遍认为在哺乳动物中DNA转录和复制不可能同时发生。
随后研究小组更进一步地寻求阐析了当复制和转录同时发生时有可能削弱DNA稳定性的原因。他们特别关注了在转录过程中由DNA分子与RNA分子交杂形成的持久性的环状结构。这些DNA/RNA环可能引起了DNA失稳,并在应激发生时导致了DNA断裂。
新研究发现为我们开辟了医学研究的新视野:这些著名的环状结构有可能作为降低基因组不稳定性和肿瘤发生的有潜力的新靶点。  
(生物通:何嫱)
日期:2012年1月3日 - 来自[遗传与基因组]栏目
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