暂停的RNA聚合酶Ⅱ作为发育的检查.doc

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1、暂停的RNA聚合酶Ⅱ作为发育的检查点教科书对于基因激活的观点是限速步骤主要是RNA聚合酶Ⅱ和基因启动子之间的相互作用。然而，对于各种各样的系统的研究，包括人类胚胎干细胞和果蝇早期胚胎，已经开始挑战这一观点。不断增加的证据证明基因表达的差异经常依赖于通过PolII从近端启动子释放的转录延伸规则。我们讨论这种关于复杂的基因网络有序的伸展管理动物发育的基因激活机制。介绍基因表达的第一步是在DNA启动子处形成蛋白复合体。初始复合体包括RNA聚合酶Ⅱ和关联的识别在核心启动子内的特殊的DNA基础序列的转录因子（例如TFIID），包括TATA，和下游的启动子元件（DPE）。这个复合体由于DNA

2、启动子是关闭最初是不稳定的双螺旋结构。转录起始的下一步是从关闭复合体过渡到开放复合体，伴随着DNA启动子的局部融化。过渡依赖于TFIIH的招募，近似于PolII自己大小的大多亚基复合体。TFIIH绑定下游的PolII并且包含ATP依赖解旋酶可以打开双链DNA。PolII如今在+1转录起始位点起始RNA转录。然而，这个合成最初是无效的并且经常导致产物过短，流产的RNA翻译产物一般少于10个氨基酸。只有在PolII成功合成RNA后才会有长度上大于10个氨基酸足以胜任基因主要功能的产物产生并且产生一个全长产物。这种启动子清除依赖于TFIID对PolII大亚基羧基终点区域（CTD）的磷酸

3、化和其他基因转录因子如传递复合物。如我在下面讨论的，不断增加的证据表明PolII经常在启动子空隙停留，代表性的区域如

30–50核苷酸下游+1区。近端启动子释放暂停的PolII逐渐成为了一个发育中基因调控的主要机理。基因表达中PolII的优先占据第一个证据是在小鼠胚胎干细胞（ES)中的研究表明关联启动子释放PolII可能是基因控制的总体机制。这些研究中，两个不同亚型的组蛋白H3，三甲基化的赖氨酸4(H3K4)和三甲基化的H3K27,都在全基因组中被评估。更早的研究显示前者组蛋白修饰与积极转录基因启动子区域密切相关，然而后者修饰不活跃的基因有关。在老鼠ES细胞中许多不活跃基因同时

4、包含修饰，称为“二阶标记”，象征基因是活跃的和不活跃的。在未表达基因的启动子区三甲基化的H3K27的发生是由于PolII进入启动子区。因此，包含二价标记基因被视为是被抑制的，但是其对于特性酶来说是“平衡的”，有一旦适当的诱导信号，它就会恢复活性。这种抑制状态可能对于来源于有多种能力的母细胞有序分化成的特定的细胞类型有重要意义。依据三甲基化的H3K27产生推测可能有PolII和不活跃基因的启动子区的相互作用。从对PolII全基因组的分布分析中我们可以获得更多证据。用针对不同的PolII亚型的抗体ChIP-chip全基因组实验等。这些实验确认PolII在果蝇胚胎早期占用很多不活跃的基

5、因的启动子区域。全基因组结合试验表明在任何特定的细胞类型重10%–30%的不活跃的基因含有绑定到基因的启动子区域的PolII。例如，PolIIChIP-chip实验（结合染色质免疫沉淀反应和微阵列分析）在果蝇转录泡突变体胚胎中进行。胚胎的横向区域通常形成神经外胚层和腹部的区域引起中胚层变成背外胚层。大约1000不活跃的蛋白质编码基因（总基因的约7%）显示PolII绑定在这些突变体上。这些基因通常表达在中胚层和神经外胚层但在泡突变体中不活跃。在果蝇中，不活跃的基因包含启动子相关的PolII在发育过程中明显过多了。许多Hox基因，组织因素（例如tinman，一个规范心脏发育的基因，以

6、及sim，规定了腹中线的中枢神经系统）和组分细胞的信号通路（例如,成纤维细胞的基因编码生长因子受体和骨形态形成蛋白抑制剂）都包含有PolII在早期胚胎中，在发育中后激活之前。的确，第一个证据证明在分析果蝇的发育来自于三个关键的分割基因slp1,engrailed,和wingless中释放暂停的PolII是基因调控的关键机制。为什么这些基因像被PolII预压榨的“果汁”呢？我首先认为不同的形式的PolII可能被全基因组ChIP实验所代表。中止的PolII在果蝇热休克基因PolII可能以动态的方式从模板DNA上绑定和解离以至于ChIP实验代表PolII的一个不稳定的平均入住率。另一种

7、可能是PolII从模板DNA上绑定但解离后产生短的流产合成由于启动子间隙的错误。或者，PolII可能充分的参与并稳定绑定在模板DNA上。这些PolII的不同形式有时被称为“失速的”PolII，聚合酶的通用术语是转录忙碌但阻止延伸。一个对于失速的PolII的说明是，中止的PolII，是从基因翻译的角度来看是十分引人关注的对于发育中快速和高效的感应，如我在下面讨论的那样。中止的PolII绑定在模板DNA上，经历启动子逃避或清除然后在下游稳定暂停转录起始站点后产生一个短的新生的转录物，