基于DNA物理特征的H2A.Z核小体定位与修饰研究

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在真核生物细胞中,染色质(chromatin)由遗传信息的携带者DNA和相关组蛋白结合而成,是调节生物新陈代谢、遗传和变异等的物质基础。而在大部分真核生物中染色质都有着相似的亚基成分,也就是我们常说的核小体(nucleosome)。核小体是染色质的基本组织结构,其形状类似于一个扁平的碟子或圆柱体,它在结构上含有一个核心组蛋白八聚物,每个组蛋白八聚体含有4种组蛋白H2A、H2B、H3和H4(每个组蛋白种类有两个分子),约200bp长度的DNA分子缠绕在核心组蛋白八聚体外面形成一个核小体单元。核小体在基因组DNA上的精确位置被称为核小体定位,核小体定位已被证实在DNA复制、转录调控等细胞生命过程中起着非常重要的作用,而基因组上核小体位置的确定又涉及 DNA、转录因子、组蛋白修饰酶和染色质重塑等诸多要素,是一个非常复杂的生物问题。  一方面,组蛋白修饰是在相关修饰酶作用下发生在核小体组蛋白N末端的共价修饰,这些共价修饰主要包括甲基化、乙酰化和磷酸化等。其中组蛋白的甲基化是指在组蛋白 N端某些氨基酸残基上添加一个甲基基团,它会影响特异基因座内基因的表达,从而对DNA的表达产生调控作用。组蛋白乙酰化是指在目标蛋白的某个氨基酸位点上添加乙酰基团,其可在蛋白翻译过程当中进行,也可以在蛋白翻译结束后进行,它是基因表达调控的一种非常重要且普遍的方式。不论是那种化学修饰都对基因的相关活动扮演着极其重要的角色。  另一方面,DNA的物理特性在很大程度上又限制和影响了核小体的定位,从而间接影响到基因表达。比如:DNA双螺旋链的弯曲度、柔韧性、内在曲率、两个相邻碱基对间的倾斜度等等都会在一定程度上影响核小体的形成。研究表明,这些DNA双螺旋链所具有的物理特性与其他化学调控因子、蛋白修饰等一起共同调节真核生物基因的转录表达。在真核生物中,不论是核小体的位置还是组蛋白的修饰亦或是DNA的物理特征,它们都对细胞的周期控制、基因的转录表达等起着非常重要的作用。但遗传信息的传递,生命特征的表达绝不可能仅仅是某一种因素的影响,那么它们之间究竟有着怎样的关联?是如何进行相互协调、共同对细胞的周期活动产生影响的呢?  沿着这样的思路,文章以酵母组蛋白修饰数据、组蛋白变异体H2A.Z的核小体位置数据与DNA物理特征之一弯曲度数据作为研究对象,进行了系统的相关探究。选择这些数据的原因在于:一、酵母作为单细胞生物,其基因组较少,核小体位置的确定相对简单,并且对其染色质结构的认识较为清楚,也能得到相对准确而清晰的数据图谱。二、前人已经通过实验获得了高精度酵母组蛋白修饰数据、酵母核小体定位数据、组蛋白变异体H2A.Z核小体定位数据以及DNA弯曲度数据,而且这些数据的可靠性和完整度相对比较高。三、随着生物技术的发展,不同种类数据的大量膨胀,研究数据之间关联性的算法亦层出不穷,这些算法通过与实际结合得以反复改进,使得其应用范围和准确率上都有了很大的提高。因此我们的研究具有可行性和现实意义。事实也表明了我们凭借MIC算法,既得到了以往前人所得数据间的线性关系,又挖掘出了H2A.Z核小体位置数据和组蛋白修饰数据之间的非线性关联等,并从生物意义上探讨了原因。
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